JP2017040818A - Light-emitting element - Google Patents

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享 橋谷
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light-emitting element which makes use of a photoluminescent material and has a novel structure that allows for controlling brightness, directivity, or polarizing properties of the light-emitting element.SOLUTION: An embodiment of a light-emitting element comprises: a photoluminescence layer configured to receive excitation light and emit light having an in-air wavelength λ; a translucent layer disposed abutting the photoluminescence layer; and a surface structure that is formed on a surface of the translucent layer to have at least either protrusions or recesses. The surface structure limits a directional angle of the light having the in-air wavelength λemitted by the photoluminescence layer. The photoluminescence layer and the translucent layer are both curved.SELECTED DRAWING: Figure 39

Description

本開示は、発光素子に関し、特に、フォトルミネッセンス層を有する発光素子に関する。   The present disclosure relates to a light emitting device, and more particularly, to a light emitting device having a photoluminescence layer.

照明器具、ディスプレイ、プロジェクターといった光学デバイスでは、多くの用途において、必要な方向に光を出射することが求められる。蛍光灯、白色LEDなどで使用されるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。よって、このような材料は、特定の方向のみに光を出射させるために、リフレクターやレンズなどの光学部品とともに用いられる。例えば、特許文献1は、配光板および補助反射板を用いて指向性を確保した照明システムを開示している。   Optical devices such as lighting fixtures, displays, and projectors are required to emit light in a necessary direction in many applications. Photoluminescent materials used in fluorescent lamps, white LEDs and the like emit isotropically. Therefore, such a material is used together with optical components such as a reflector and a lens in order to emit light only in a specific direction. For example, Patent Document 1 discloses an illumination system that secures directivity using a light distribution plate and an auxiliary reflector.

特開2010−231941号公報JP 2010-231941 A

光学デバイスにおいて、リフレクターやレンズなどの光学部品を配置すると、そのスペースを確保するために、光学デバイス自身のサイズを大きくする必要がある。これらの光学部品は無くすか、少しでも小型化することが望ましい。   In an optical device, when optical components such as a reflector and a lens are arranged, it is necessary to increase the size of the optical device itself in order to secure the space. It is desirable to eliminate these optical components or to reduce the size as much as possible.

本開示は、フォトルミネッセンス材料の発光効率、指向性、または偏光特性を制御することが可能な、新規な構造を有する発光素子を提供する。   The present disclosure provides a light-emitting element having a novel structure capable of controlling the light emission efficiency, directivity, or polarization characteristics of a photoluminescent material.

本開示のある実施形態の発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、前記透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造とを有する。前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、前記フォトルミネッセンス層および前記透光層は、湾曲している。 A light-emitting device according to an embodiment of the present disclosure includes a photoluminescence layer that emits light having a wavelength of λa in the air upon receiving excitation light, a translucent layer disposed in proximity to the photoluminescence layer, and the translucent layer. The surface structure is formed on the surface of the optical layer and includes at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions. The surface structure limits the directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer, and the photoluminescence layer and the light transmission layer are curved.

上記の包括的または具体的な態様は、素子、装置、システム、方法、またはこれらの任意の組み合わせで実現されてもよい。   The generic or specific aspects described above may be implemented by elements, devices, systems, methods, or any combination thereof.

本開示のある実施形態による発光素子は、新規な構成を有し、新規なメカニズムに従って、輝度、指向性、または偏光特性を制御することができる。   A light emitting device according to an embodiment of the present disclosure has a novel configuration and can control luminance, directivity, or polarization characteristics according to a novel mechanism.

ある実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the light emitting element by a certain embodiment. 図1Aに示す発光素子の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the light emitting element shown to FIG. 1A. 他の実施形態による発光素子の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the light emitting element by other embodiment. 図1Cに示す発光素子の部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the light emitting element shown to FIG. 1C. 発光波長および周期構造の高さをそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the increase | augmentation intensity | strength of the light radiate | emitted in a front direction, changing the light emission wavelength and the height of a periodic structure, respectively. 式(10)におけるm=1およびm=3の条件を図示したグラフである。It is the graph which illustrated the conditions of m = 1 and m = 3 in Formula (10). 発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the increase | augmentation intensity | strength of the light output to a front direction by changing the light emission wavelength and the thickness t of a photo-luminescence layer. 厚さt=238nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the electric field distribution of the mode guided to x direction when thickness t = 238 nm. 厚さt=539nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the electric field distribution of the mode guided to x direction when thickness t = 539 nm. 厚さt=300nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the electric field distribution of the mode guided to x direction when thickness t = 300nm. 図2の計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードである場合について光の増強度を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the light increase intensity | strength about the case where the polarization of light is a TE mode which has an electric field component perpendicular | vertical to ay direction on the same conditions as the calculation of FIG. 2次元の周期構造の例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of a two-dimensional periodic structure. 2次元周期構造に関して図2と同様の計算を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the calculation similar to FIG. 2 regarding the two-dimensional periodic structure. 発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the intensification of the light which changes the light emission wavelength and the refractive index of a periodic structure, and outputs it to a front direction. 図8と同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を1000nmにした場合の結果を示す図である。It is a figure which shows the result at the time of setting the film thickness of a photo-luminescence layer to 1000 nm on the conditions similar to FIG. 発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated the increase | augmentation intensity | strength of the light which changes the light emission wavelength and the height of a periodic structure, and outputs it to a front direction. 図10と同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result when the refractive index of a periodic structure is set to np = 2.0 on the conditions similar to FIG. 光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして図9に示す計算と同様の計算を行った結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the calculation similar to the calculation shown in FIG. 9, assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction. 図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を示す図である。It is a figure which shows the result at the time of changing the refractive index nwav of a photo-luminescence layer to 1.5 on the conditions similar to the calculation shown in FIG. 屈折率が1.5の透明基板の上に、図2に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層および周期構造を設けた場合の計算結果を示す図である。It is a figure which shows the calculation result at the time of providing the photo-luminescence layer and periodic structure of the same conditions as the calculation shown in FIG. 2 on the transparent substrate whose refractive index is 1.5. 式(15)の条件を図示したグラフである。It is a graph which illustrated the conditions of Formula (15). 図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光をフォトルミネッセンス層110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the light-emitting device 200 provided with the light emitting element 100 shown to FIG. 1A and 1B and the light source 180 which makes excitation light inject into the photo-luminescence layer 110. FIG. x方向の周期pxを有する1次元周期構造を示す図である。It is a diagram showing a one-dimensional periodic structure having the x direction of the period p x. x方向の周期px、y方向の周期pyを有する2次元周期構造を示す図である。x-direction period p x, illustrates a two-dimensional periodic structure having a period p y in the y direction. 図17Aの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light absorption factor in the structure of FIG. 17A. 図17Bの構成における光の吸収率の波長依存性を示す図である。It is a figure which shows the wavelength dependence of the light absorption factor in the structure of FIG. 17B. 2次元周期構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a two-dimensional periodic structure. 2次元周期構造の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of a two-dimensional periodic structure. 透明基板上に周期構造を形成した変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification which formed the periodic structure on the transparent substrate. 透明基板上に周期構造を形成した他の変形例を示す図である。It is a figure which shows the other modification which formed the periodic structure on the transparent substrate. 図19Aの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。FIG. 19B is a diagram illustrating a result of calculating the enhancement of light output in the front direction by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure in the configuration of FIG. 19A. 複数の粉末状の発光素子を混ぜた構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which mixed several powdery light emitting element. フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。It is a top view which shows the example which arranged the several periodic structure from which a period differs on the photo-luminescence layer in two dimensions. 表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層110が積層された構造を有する発光素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the light emitting element which has the structure where the several photo-luminescence layer 110 in which the uneven structure was formed on the surface was laminated | stacked. フォトルミネッセンス層110と周期構造120との間に保護層150を設けた構成例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between a photoluminescence layer 110 and a periodic structure 120. フォトルミネッセンス層110の一部のみを加工することによって周期構造120を形成した例を示す図である。It is a figure which shows the example which formed the periodic structure 120 by processing only a part of photo-luminescence layer 110. FIG. 周期構造を有するガラス基板上に形成されたフォトルミネッセンス層の断面TEM像を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional TEM image of the photo-luminescence layer formed on the glass substrate which has a periodic structure. 試作した発光素子の出射光の正面方向のスペクトルを測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the spectrum of the front direction of the emitted light of the light emitting element made as an experiment. TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a situation where a light emitting element that emits TM mode linearly polarized light is rotated about an axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. 試作した発光素子を図27Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 27A. 試作した発光素子を図27Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 27A. TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a situation where a light emitting element that emits TE mode linearly polarized light is rotated about an axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. 試作した発光素子を図27Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 27D. 試作した発光素子を図27Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 27D. TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a situation where a light emitting element that emits TE mode linearly polarized light is rotated about an axis perpendicular to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. 試作した発光素子を図28Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 28A. 試作した発光素子を図28Aに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 28A. TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a situation where a light emitting element that emits TM mode linearly polarized light is rotated about an axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. 試作した発光素子を図28Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 28D. 試作した発光素子を図28Dに示すように回転させたときの出射光の角度依存性を計算した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having calculated the angle dependence of the emitted light when rotating the prototype light emitting element as shown to FIG. 28D. 試作した発光素子の出射光(波長610nm)の角度依存性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the angle dependence of the emitted light (wavelength 610nm) of the light emitting element made as an experiment. スラブ型導波路の一例を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically an example of a slab type | mold waveguide. フォトルミネッセンス層110上に周期構造120を有する発光素子における発光増強効果を受ける光の波長および出射方向との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for explaining the relationship between the wavelength of light that receives the light emission enhancement effect and the emission direction in a light emitting device having a periodic structure 120 on the photoluminescence layer. 発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the example of the structure which arranged the several periodic structure from which the wavelength which shows the light emission enhancing effect differs. 1次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the example of the structure which arranged the several periodic structure from which the direction where the convex part of a one-dimensional periodic structure extends differs. 複数の2次元周期構造を配列した構成の例を示す模式的な平面図である。It is a typical top view showing an example of composition which arranged a plurality of two-dimensional periodic structures. マイクロレンズを備える発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of a light emitting element provided with a micro lens. 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has several photo-luminescence layer from which light emission wavelengths differ. 発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層を有する他の発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the other light emitting element which has several photo-luminescence layer from which light emission wavelength differs. フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a diffusion prevention layer (barrier layer) under a photo-luminescence layer. フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a diffusion prevention layer (barrier layer) under a photo-luminescence layer. フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a diffusion prevention layer (barrier layer) under a photo-luminescence layer. フォトルミネッセンス層の下に拡散防止層(バリア層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a diffusion prevention layer (barrier layer) under a photo-luminescence layer. フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層(シード層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a crystal growth layer (seed layer) under a photo-luminescence layer. フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層(シード層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a crystal growth layer (seed layer) under a photo-luminescence layer. フォトルミネッセンス層の下に、結晶成長層(シード層)を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a crystal growth layer (seed layer) under a photo-luminescence layer. 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a surface protective layer for protecting a periodic structure. 周期構造を保護するための表面保護層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a surface protective layer for protecting a periodic structure. 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a transparent high heat conductive layer. 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a transparent high heat conductive layer. 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a transparent high heat conductive layer. 透明高熱伝導層を有する発光素子の模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the light emitting element which has a transparent high heat conductive layer. 本開示の他の実施形態による発光素子の模式的な断面図である。It is a typical sectional view of a light emitting element by other embodiments of this indication. 湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有する発光素子の変形例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the modification of the light emitting element which has the photoluminescence layer 110d curved. 湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有する発光素子の他の変形例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the other modification of the light emitting element which has the curved photo-luminescence layer 110d. 湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有する発光素子のさらに他の変形例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the other modification of the light emitting element which has the photoluminescence layer 110d curved. フォトルミネッセンス層110dと透明基板140eとの間に、周期構造が形成された中間層160を配置した構成例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structural example which has arrange | positioned the intermediate | middle layer 160 in which the periodic structure was formed between the photo-luminescence layer 110d and the transparent substrate 140e. 湾曲したフォトルミネッセンス層の表面形状の測定結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the measurement result of the surface shape of the curved photo-luminescence layer. 本開示のさらに他の実施形態による発光素子における断面を示す模式的な断面図である。It is a typical sectional view showing the section in the light emitting element by other embodiments of this indication. フォトルミネッセンス層110eの上面に、光吸収性の低い誘電体から形成された周期構造を含む透光層120eが設けられた構成例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structural example by which the translucent layer 120e containing the periodic structure formed from the dielectric material with low light absorption property was provided in the upper surface of the photo-luminescence layer 110e. 発光素子100gのフォトルミネッセンス層110eの一部を拡大して示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which expands and shows a part of photoluminescence layer 110e of the light emitting element 100g. 発光素子100gのフォトルミネッセンス層110eの一部を拡大して示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which expands and shows a part of photoluminescence layer 110e of the light emitting element 100g. 厚さが端部から中央部に向かって増加するフォトルミネッセンス層110hを有する発光素子100hを示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the light emitting element 100h which has the photo-luminescence layer 110h from which an thickness increases toward a center part from an edge part. 発光素子のさらに他の変形例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the further another modification of a light emitting element. 複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を有する表面構造の一例を示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows an example of the surface structure which has at least one of a some convex part and a some recessed part.

[1.本開示の実施形態の概要]
本開示は、以下の項目に記載の発光素子を含む。
[項目1]
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
フォトルミネッセンス層および透光層は、湾曲している、発光素子。
[項目2]
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
フォトルミネッセンス層および透光層は、湾曲している、発光素子。
[項目3]
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
フォトルミネッセンス層は、湾曲している、発光素子。
[項目4]
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層に接している透光層と、
フォトルミネッセンス層と透光層との界面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
フォトルミネッセンス層および透光層は、湾曲している、発光素子。
[項目5]
フォトルミネッセンス層を支持する基板をさらに有する、項目1から4のいずれかに記載の発光素子。
[項目6]
フォトルミネッセンス層および基板は、湾曲している、項目5に記載の発光素子。
[項目7]
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限し、
フォトルミネッセンス層の厚さは、フォトルミネッセンス層の端部から中央部に向かって減少または増加する、発光素子。
[項目8]
フォトルミネッセンス層の厚さは、フォトルミネッセンス層における一方の端部から他方の端部に向かって減少または増加する、項目7に記載の発光素子。
[項目9]
フォトルミネッセンス層を支持する基板をさらに有し、
表面構造は、フォトルミネッセンス層において基板に対向する面の反対側に形成されている、項目7または8に記載の発光素子。
[項目10]
表面構造は、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を、15°未満に制限する、項目1から9のいずれかに記載の発光素子。
[項目11]
表面構造における隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、空気中の波長がλaの光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、項目1から10のいずれかに記載の発光素子。
[項目12]
表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、
少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、項目1から11のいずれかに記載の発光素子。
[1. Outline of Embodiment of Present Disclosure]
The present disclosure includes light-emitting elements described in the following items.
[Item 1]
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer;
A surface structure formed on the surface of the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light with a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The light-emitting element in which the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are curved.
[Item 2]
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer having a higher refractive index than the photoluminescence layer;
A surface structure formed on the surface of the light-transmitting layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light with a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The light-emitting element in which the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are curved.
[Item 3]
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescence layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The surface structure limits the directivity angle of light with a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The photoluminescent layer is a light emitting element which is curved.
[Item 4]
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer in contact with the photoluminescence layer;
A surface structure formed at the interface between the photoluminescence layer and the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of light with a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The light-emitting element in which the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are curved.
[Item 5]
Item 5. The light emitting device according to any one of items 1 to 4, further comprising a substrate that supports the photoluminescence layer.
[Item 6]
Item 6. The light emitting device according to Item 5, wherein the photoluminescence layer and the substrate are curved.
[Item 7]
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescence layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The surface structure limits the directivity angle of light with a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The light-emitting element in which the thickness of the photoluminescence layer decreases or increases from the end to the center of the photoluminescence layer.
[Item 8]
Item 8. The light-emitting element according to Item 7, wherein the thickness of the photoluminescence layer decreases or increases from one end to the other end of the photoluminescence layer.
[Item 9]
A substrate that supports the photoluminescence layer;
Item 9. The light-emitting element according to Item 7 or 8, wherein the surface structure is formed on the opposite side of the surface facing the substrate in the photoluminescence layer.
[Item 10]
10. The light emitting device according to any one of items 1 to 9, wherein the surface structure limits a directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer to less than 15 °.
[Item 11]
If the distance between adjacent convex portions or concave portions in the surface structure is D int and the refractive index of the photoluminescence layer with respect to light having a wavelength of λ a in the air is n wav-a , λ a / n wav-a < 11. The light emitting device according to any one of items 1 to 10, wherein a relationship of D inta is established.
[Item 12]
The surface structure has at least one periodic structure;
When the period of at least one periodic structure and p a, λ a / n wav -a < relationship p a a is satisfied, the light emitting device as described in any one of 1 11.

本開示の実施形態による発光素子は、励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造とを有する。この表面構造は、例えば、フォトルミネッセンス層の表面に形成されており、フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの光の指向角を制限する。本開示のある実施形態において、フォトルミネッセンス層は、湾曲している。本開示の他のある実施形態において、フォトルミネッセンス層の厚さは、フォトルミネッセンス層の端部から中央部に向かって減少または増加している。 A light emitting device according to an embodiment of the present disclosure has a photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air upon receiving excitation light, and a surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions. This surface structure is formed, for example, on the surface of the photoluminescence layer, and restricts the directivity angle of light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer. In certain embodiments of the present disclosure, the photoluminescent layer is curved. In certain other embodiments of the present disclosure, the thickness of the photoluminescent layer decreases or increases from the end of the photoluminescent layer toward the center.

本開示の実施形態による発光素子は、透光層を有し得る。透光層は、フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有し得る。透光層は、フォトルミネッセンス層に近接して配置されていてもよいし、フォトルミネッセンス層に接していてもよい。透光層が湾曲していてもよい。上述の表面構造は、透光層の表面に形成されていてもよいし、フォトルミネッセンス層と透光層との界面に形成されていてもよい。   A light emitting device according to an embodiment of the present disclosure may have a light transmissive layer. The light transmissive layer may have a higher refractive index than the photoluminescent layer. The light transmissive layer may be disposed in proximity to the photoluminescence layer, or may be in contact with the photoluminescence layer. The translucent layer may be curved. The surface structure described above may be formed on the surface of the light transmissive layer, or may be formed at the interface between the photoluminescence layer and the light transmissive layer.

波長λaは、例えば、可視光の波長範囲内(例えば、380nm以上780nm以下)にある。赤外線を利用する用途では、波長λaは、780nmを超える場合もあり得る。一方、紫外線を利用する用途では、波長λaは、380nm未満の場合もあり得る。本開示では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。 The wavelength λ a is, for example, in the wavelength range of visible light (for example, 380 nm to 780 nm). In applications that use infrared, the wavelength λ a may exceed 780 nm. On the other hand, in applications using ultraviolet light, the wavelength λ a may be less than 380 nm. In this disclosure, electromagnetic waves in general including infrared rays and ultraviolet rays are expressed as “light” for convenience.

フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料を含む。フォトルミネッセンス材料は、励起光を受けて発光する材料を意味する。フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料(例えば色素)を包含し、さらには、量子ドット(即ち、半導体微粒子)を包含する。フォトルミネッセンス層は、フォトルミネッセンス材料に加えて、マトリクス材料(即ち、ホスト材料)を含んでもよい。マトリクス材料は、例えば、ガラスや酸化物などの無機材料や樹脂である。   The photoluminescent layer includes a photoluminescent material. The photoluminescent material means a material that emits light upon receiving excitation light. The photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle). The photoluminescent layer may include a matrix material (ie, host material) in addition to the photoluminescent material. The matrix material is, for example, an inorganic material such as glass or oxide, or a resin.

透光層は、フォトルミネッセンス層が発する光に対して透過率が高い材料、例えば、無機材料や樹脂で形成される。透光層は、例えば誘電体(特に、光の吸収が少ない絶縁体)で形成され得る。透光層は、例えば、フォトルミネッセンス層を支持する基板であってもよい。フォトルミネッセンス層の空気側の表面が後述のサブミクロン構造を有する場合、空気層が透光層となり得る。   The light transmissive layer is formed of a material having a high transmittance with respect to light emitted from the photoluminescence layer, for example, an inorganic material or a resin. The light transmitting layer can be formed of, for example, a dielectric (particularly, an insulator that absorbs little light). The light transmissive layer may be, for example, a substrate that supports the photoluminescence layer. When the air side surface of the photoluminescence layer has a submicron structure described later, the air layer can be a light-transmitting layer.

フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方の表面には、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造が形成される。ここで「表面」とは、他の物質と接している部分(即ち界面)を意味する。透光層が空気等の気体の層である場合は、その気体の層と他の物質(例えばフォトルミネッセンス層)との間の界面が、透光層の表面である。この表面構造は、「凹凸構造」と称することもできる。表面構造は、典型的には、複数の凸部または複数の凹部が一次元または二次元に周期的に配列された部分を含む。そのような表面構造は、「周期構造」と称することができる。複数の凸部および複数の凹部は、互いに接する2つの屈折率の異なる部材(または媒質)の境界に形成される。したがって、「周期構造」は、ある方向に屈折率が周期的に変動する部分を含む構造といえる。ここで「周期的」とは、厳密に周期的である態様に限定されず、近似的に周期的であるといえる態様を含む。本明細書において、連続する複数の凸部または凹部のうち、隣接する2つの中心間の距離(以下、「中心間隔」と称することがある。)が、いずれの2つの隣接する凸部または凹部についても、ある値pの±15%以内の範囲に収まっているとき、その部分は、周期pを有する周期構造であると考える。   A surface structure including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions is formed on at least one surface of the photoluminescence layer and the light transmitting layer. Here, the “surface” means a portion in contact with another substance (that is, an interface). When the light-transmitting layer is a gas layer such as air, the interface between the gas layer and another substance (for example, a photoluminescence layer) is the surface of the light-transmitting layer. This surface structure can also be referred to as an “uneven structure”. The surface structure typically includes a portion in which a plurality of convex portions or a plurality of concave portions are periodically arranged in one or two dimensions. Such a surface structure can be referred to as a “periodic structure”. The plurality of convex portions and the plurality of concave portions are formed at the boundary between two members (or media) having different refractive indexes that are in contact with each other. Therefore, it can be said that the “periodic structure” includes a portion in which the refractive index periodically varies in a certain direction. Here, the term “periodic” is not limited to an aspect that is strictly periodic, but includes an aspect that can be said to be approximately periodic. In this specification, among a plurality of continuous convex portions or concave portions, a distance between two adjacent centers (hereinafter sometimes referred to as “center interval”) is any two adjacent convex portions or concave portions. Is also considered to be a periodic structure having a period p when it falls within a range of ± 15% of a certain value p.

本明細書において「凸部」は、基準の高さの部分に対して盛り上がった部分を意味する。「凹部」は、基準の高さの部分に対して窪んだ部分を意味する。凸部および凹部の形状、サイズ、分布によっては、いずれが凸部でいずれが凹部かが容易に判断できない場合があり得る。例えば、図51に示す断面図では、部材610が凹部を有し、部材620が凸部を有していると解釈することもできれば、その逆の解釈も可能である。どのように解釈したとしても、部材610および部材620の各々が、複数の凸部および凹部の少なくとも一方を有するといえることには変わりはない。   In the present specification, the “convex portion” means a raised portion with respect to a reference height portion. The “recessed portion” means a recessed portion with respect to a reference height portion. Depending on the shape, size, and distribution of the convex and concave portions, it may not be easy to determine which is the convex portion and which is the concave portion. For example, in the cross-sectional view shown in FIG. 51, it can be interpreted that the member 610 has a concave portion and the member 620 has a convex portion, or vice versa. Whatever the interpretation, it can be said that each of the member 610 and the member 620 has at least one of a plurality of convex portions and concave portions.

表面構造における隣接する2つの凸部または隣接する2つの凹部の中心間の距離(周期構造においては周期p)は、典型的にはフォトルミネッセンス層が発する光の空気中における波長λaよりも短い。フォトルミネッセンス層から発せられる光が可視光、短波長の近赤外線、または紫外線の場合、その距離はマイクロメートルのオーダー(即ちミクロンオーダー)よりも短い。よって、そのような表面構造を、「サブミクロン構造」と称することがある。「サブミクロン構造」が一部に1マイクロメートル(μm)を超える中心間隔または周期を有する部分を含んでいてもよい。以下の説明では、可視光を発するフォトルミネッセンス層を主に想定し、表面構造を意味する用語として「サブミクロン構造」の用語を主に用いる。しかし、サブミクロンオーダーを超える微細構造(例えば、赤外線を利用する用途で使用されるミクロンオーダーの微細構造)を有する表面構造についても、以下の議論は全く同様に成立する。 The distance between the centers of two adjacent convex portions or two adjacent concave portions in the surface structure (period p in the periodic structure) is typically shorter than the wavelength λ a of the light emitted from the photoluminescence layer in the air. . When the light emitted from the photoluminescence layer is visible light, short-wavelength near infrared light, or ultraviolet light, the distance is shorter than the order of micrometers (that is, the order of microns). Therefore, such a surface structure may be referred to as a “submicron structure”. A “submicron structure” may include a portion having a central interval or period exceeding 1 micrometer (μm) in part. In the following description, a photoluminescence layer that emits visible light is mainly assumed, and the term “submicron structure” is mainly used as a term meaning a surface structure. However, the following discussion holds true for the surface structure having a fine structure exceeding the sub-micron order (for example, a fine structure of the micron order used in applications using infrared rays).

本開示の実施形態による発光素子においては、後に計算結果および実験結果を参照して詳述するように、フォトルミネッセンス層および透光層の内部に、ユニークな電場分布を形成する。これは、導波光がサブミクロン構造(即ち表面構造)と相互作用して形成される。このような電場分布を形成する光のモードを「擬似導波モード」と表現することができる。この擬似導波モードを活用することで、以下で説明するように、フォトルミネッセンスの発光効率の増大、指向性の向上、偏光の選択性の効果を得ることができる。なお、以下の説明において、擬似導波モードという用語を使って、本発明者らが見出した、新規な構成および/または新規なメカニズムを説明することがある。その説明は、1つの例示的な説明に過ぎず、本開示をいかなる意味においても限定するものではない。   In the light emitting device according to the embodiment of the present disclosure, a unique electric field distribution is formed inside the photoluminescence layer and the light transmitting layer, as will be described in detail later with reference to calculation results and experimental results. This is formed by the guided light interacting with the submicron structure (ie, the surface structure). The mode of light forming such an electric field distribution can be expressed as a “pseudo-waveguide mode”. By utilizing this pseudo waveguide mode, as described below, it is possible to obtain the effects of increased photoluminescence emission efficiency, improved directivity, and polarization selectivity. In the following description, the term pseudo-waveguide mode may be used to describe a new configuration and / or a new mechanism found by the present inventors. The description is merely one illustrative description and should not limit the present disclosure in any way.

サブミクロン構造は、例えば複数の凸部を含み、隣接する凸部間の中心間距離をDintとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係を満足し得る。サブミクロン構造は、複数の凸部に代えて複数の凹部を含んでもよい。以下では、簡単のために、サブミクロン構造が複数の凸部を有するものとして説明する。λは光の波長を表し、λaは空気中での光の波長であることを表現する。nwavはフォトルミネッセンス層の屈折率である。フォトルミネッセンス層が複数の材料を混合した媒質である場合、各材料の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をnwavとする。一般に屈折率nは波長に依存するので、λaの光に対する屈折率であることをnwav-aと明示することが望ましいが、簡単のために省略することがある。nwavは基本的にフォトルミネッセンス層の屈折率であるが、フォトルミネッセンス層に隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をnwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。 The submicron structure includes, for example, a plurality of convex portions, and can satisfy the relationship of λ a / n wav−a <D inta where D int is the distance between the centers of adjacent convex portions. The submicron structure may include a plurality of concave portions instead of the plurality of convex portions. Hereinafter, for the sake of simplicity, the submicron structure will be described as having a plurality of convex portions. λ represents the wavelength of light, and λ a represents the wavelength of light in the air. n wav is the refractive index of the photoluminescence layer. When the photoluminescence layer is a medium in which a plurality of materials are mixed, the average refractive index obtained by weighting the refractive index of each material by the respective volume ratio is defined as n wav . Since generally the refractive index n depends on the wavelength, that is a refractive index to light of lambda a it is desirable to express the n wav-a, may be omitted for simplicity. n wav is basically the refractive index of the photoluminescence layer. When the refractive index of the layer adjacent to the photoluminescence layer is larger than the refractive index of the photoluminescence layer, the refractive index and the photoluminescence of the layer having the larger refractive index are used. Let n wav be the average refractive index obtained by weighting the refractive indices of the layers by their respective volume ratios. This is because this is optically equivalent to the case where the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers of different materials.

擬似導波モードの光に対する媒質の有効屈折率をneffとすると、na<neff<nwavを満たす。ここで、naは空気の屈折率である。擬似導波モードの光を、フォトルミネッセンス層の内部を入射角θで全反射しながら伝搬する光であると考えると、有効屈折率neffは、neff=nwavsinθと書ける。また、有効屈折率neffは、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まるので、例えば、サブミクロン構造が透光層に形成されている場合、フォトルミネッセンス層の屈折率だけでなく、透光層の屈折率にも依存する。また、擬似導波モードの偏光方向(TEモードとTMモード)により、電場の分布は異なるので、TEモードとTMモードとでは有効屈折率neffは異なり得る。 When the effective refractive index of the medium with respect to the light in the pseudo waveguide mode is n eff , n a <n eff <n wav is satisfied. Here, n a is the refractive index of air. Considering that the light in the quasi-waveguide mode propagates while totally reflecting inside the photoluminescence layer at the incident angle θ, the effective refractive index n eff can be written as n eff = n wav sin θ. Further, since the effective refractive index n eff is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed, for example, when the submicron structure is formed in the light transmitting layer, the photoluminescence layer It depends not only on the refractive index but also on the refractive index of the translucent layer. In addition, since the electric field distribution varies depending on the polarization direction of the pseudo waveguide mode (TE mode and TM mode), the effective refractive index n eff may be different between the TE mode and the TM mode.

サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層および透光層の少なくとも一方に形成される。フォトルミネッセンス層と透光層とが互いに接するとき、フォトルミネッセンス層と透光層との界面にサブミクロン構造が形成されてもよい。このとき、フォトルミネッセンス層および透光層がサブミクロン構造を有する。フォトルミネッセンス層はサブミクロン構造を有さなくてもよい。このとき、サブミクロン構造を有する透光層がフォトルミネッセンス層に近接して配置される。ここで、透光層(またはそのサブミクロン構造)がフォトルミネッセンス層に近接するとは、典型的には、これらの間の距離が、波長λaの半分以下であることをいう。これにより、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成される。ただし、透光層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きいときには上記の関係を満足しなくても透光層まで光が到達するため、透光層のサブミクロン構造とフォトルミネッセンス層との間の距離は、波長λaの半分超であってもよい。本明細書では、フォトルミネッセンス層と透光層とが、導波モードの電場がサブミクロン構造に到達し、擬似導波モードが形成されるような配置関係にあるとき、両者が互いに関連付けられていると表現することがある。 The submicron structure is formed in at least one of the photoluminescence layer and the light transmission layer. When the photoluminescence layer and the light transmission layer are in contact with each other, a submicron structure may be formed at the interface between the photoluminescence layer and the light transmission layer. At this time, the photoluminescence layer and the translucent layer have a submicron structure. The photoluminescent layer may not have a submicron structure. At this time, the light-transmitting layer having a submicron structure is disposed in the vicinity of the photoluminescence layer. Here, the phrase “the light-transmitting layer (or its submicron structure) is close to the photoluminescence layer” typically means that the distance between them is not more than half the wavelength λ a . As a result, the electric field of the waveguide mode reaches the submicron structure, and the pseudo waveguide mode is formed. However, when the refractive index of the light-transmitting layer is larger than the refractive index of the photoluminescent layer, the light reaches the light-transmitting layer even if the above relationship is not satisfied. Therefore, the submicron structure of the light-transmitting layer and the photoluminescent layer the distance between the may be more than half of the wavelength lambda a. In this specification, when the photoluminescence layer and the light-transmitting layer are in a positional relationship such that the electric field of the guided mode reaches a submicron structure and a pseudo-guided mode is formed, the two are associated with each other. Sometimes expressed.

サブミクロン構造が、上記のように、λa/nwav-a<Dint<λaの関係を満足するとき、可視光を利用する用途では、サブミクロンオーダーの大きさで特徴づけられる。サブミクロン構造は、例えば、以下に詳細に説明する実施形態の発光素子におけるように、少なくとも1つの周期構造を含み得る。少なくとも1つの周期構造は、周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ。すなわち、サブミクロン構造は、隣接する凸部間の距離Dintがpaで一定の周期構造を含み得る。サブミクロン構造がこのような周期構造を含むと、擬似導波モードの光は、伝搬しながら周期構造と相互作用を繰り返すことにより、サブミクロン構造によって回折される。これは、自由空間を伝播する光が周期構造により回折する現象とは異なり、光が導波しながら(即ち、全反射を繰り返しながら)周期構造と作用する現象である。したがって、周期構造による位相シフトが小さくても(即ち、周期構造の高さが小さくても)効率よく光の回折を起こすことができる。 As described above, when the submicron structure satisfies the relationship of λ a / n wav-a <D inta , the submicron structure is characterized by a size on the order of submicron in applications using visible light. The submicron structure may include at least one periodic structure, for example, in the light emitting device of the embodiment described in detail below. At least one of the periodic structure, when the period as p a, λ a / n wav -a <p a <λ relationship a holds. That is, the sub-micron structures, the distance D int between adjacent convex portions may comprise constant of the periodic structure in the p a. When the submicron structure includes such a periodic structure, the light in the pseudo waveguide mode is diffracted by the submicron structure by repeating the interaction with the periodic structure while propagating. This is different from the phenomenon in which light propagating in free space is diffracted by the periodic structure, and is a phenomenon in which light acts on the periodic structure while being guided (that is, repeating total reflection). Therefore, even if the phase shift due to the periodic structure is small (that is, the height of the periodic structure is small), light can be efficiently diffracted.

以上のようなメカニズムを利用すれば、擬似導波モードにより電場が増強される効果によって、フォトルミネッセンスの発光効率が増大するとともに、発生した光が擬似導波モードに結合する。擬似導波モードの光は、周期構造で規定される回折角度だけ進行角度が曲げられる。これを利用することによって、特定の波長の光を特定の方向に出射することができる。すなわち、周期構造が存在しない場合と比較して、指向性が顕著に向上する。さらに、TEモードとTMモードとで有効屈折率neff(=nwavsinθ)が異なるので、高い偏光の選択性を同時に得ることもできる。例えば、後に実験例を示すように、特定の波長(例えば610nm)の直線偏光(例えばTMモード)を正面方向に強く出射する発光素子を得ることができる。このとき、正面方向に出射する光の指向角は例えば15°未満である。ここで「指向角」とは、出射する特定の波長の直線偏光について、強度が最大である方向と、強度が最大強度の50%になる方向との間の角度と定義される。すなわち、指向角は強度が最大である方向を0°とした場合の片側の角度である。このように、本開示の実施形態における周期構造(即ち表面構造)は、特定の波長λaの光の指向角を制限する。言い換えれば、当該波長λaの光の配光を、周期構造がない場合と比較して挟角にする。このような、周期構造が存在しない場合と比較して指向角が低減された配光を、「挟角配光」と称することがある。本開示の実施形態における周期構造は、波長λaの光の指向角を制限するが、波長λaの光の全てを挟角に出射するのではない。例えば後述する図29に示す例では、強度が最大になる方向から離れた角度(例えば20°〜70°)の方向にも波長λaの光が僅かに出射する。しかし、全体的には、波長λaの出射光が0°〜20°の範囲に集中しており、指向角が制限されている。 If the mechanism as described above is used, the luminous efficiency of photoluminescence increases due to the effect of the electric field being enhanced by the pseudo waveguide mode, and the generated light is coupled to the pseudo waveguide mode. The light of the quasi-waveguide mode is bent at a traveling angle by a diffraction angle defined by the periodic structure. By utilizing this, light of a specific wavelength can be emitted in a specific direction. That is, the directivity is remarkably improved as compared with the case where no periodic structure is present. Further, since the effective refractive index n eff (= n wav sin θ) is different between the TE mode and the TM mode, high polarization selectivity can be obtained at the same time. For example, as shown in an experimental example later, it is possible to obtain a light emitting element that emits linearly polarized light (for example, TM mode) having a specific wavelength (for example, 610 nm) strongly in the front direction. At this time, the directivity angle of the light emitted in the front direction is, for example, less than 15 °. Here, “directivity angle” is defined as an angle between the direction in which the intensity is maximum and the direction in which the intensity is 50% of the maximum intensity with respect to the linearly polarized light having a specific wavelength to be emitted. That is, the directivity angle is an angle on one side when the direction in which the intensity is maximum is 0 °. Thus, the periodic structure (that is, the surface structure) in the embodiment of the present disclosure limits the directivity angle of light having a specific wavelength λa. In other words, the distribution of light of the wavelength lambda a, to narrow angle as compared to when there is no periodic structure. Such a light distribution in which the directivity angle is reduced as compared with the case where no periodic structure is present may be referred to as “a narrow-angle light distribution”. The periodic structure of the embodiment of the present disclosure, limits the directivity angle of light of wavelength lambda a, but the embodiment is not emit any light of the wavelength lambda a to included angle. For example, in the example shown in FIG. 29 described later, light having a wavelength λa is slightly emitted also in a direction away from the direction in which the intensity is maximum (for example, 20 ° to 70 °). Overall, however, the emitted light having a wavelength lambda a is concentrated in the range of 0 ° to 20 °, the orientation angle is limited.

なお、本開示の典型的な実施形態における周期構造は、一般的な回折格子とは異なり、光の波長λaよりも短い周期を有する。一般的な回折格子は、光の波長λaよりも十分に長い周期を有し、その結果、特定の波長の光を0次光(即ち透過光)、±1次回折光などの複数の回折光に分けて出射させる。そのような回折格子は、高次の回折光が0次光の両側に発生する。回折格子における、0次光の両側に発生する高次の回折光は、挟角配光の実現を困難にする。言い換えれば、従来の回折格子は、光の指向角を所定の角度(例えば15°程度)に制限するという本開示の実施形態に特有の効果を奏しない。この点で、本開示の実施形態における周期構造は、従来の回折格子とは顕著に異なる性質を有する。 Note that the periodic structure in the exemplary embodiment of the present disclosure has a period shorter than the wavelength λ a of light, unlike a general diffraction grating. A general diffraction grating has a period sufficiently longer than the wavelength λ a of light, and as a result, a specific wavelength of light is a plurality of diffracted lights such as 0th order light (ie, transmitted light), ± 1st order diffracted light, The light is emitted separately. In such a diffraction grating, high-order diffracted light is generated on both sides of zero-order light. High-order diffracted light generated on both sides of the 0th-order light in the diffraction grating makes it difficult to realize narrow-angle light distribution. In other words, the conventional diffraction grating does not have an effect peculiar to the embodiment of the present disclosure in which the directivity angle of light is limited to a predetermined angle (for example, about 15 °). In this regard, the periodic structure according to the embodiment of the present disclosure has properties that are significantly different from those of conventional diffraction gratings.

サブミクロン構造の周期性が低くなると、指向性、発光効率、偏光度および波長選択性が弱くなる。必要に応じて、サブミクロン構造の周期性を調整すればよい。周期構造は、偏光の選択性が高い1次元周期構造であってもよいし、偏光度を小さくできる2次元周期構造であってもよい。   When the periodicity of the submicron structure is lowered, the directivity, light emission efficiency, polarization degree, and wavelength selectivity are weakened. What is necessary is just to adjust the periodicity of a submicron structure as needed. The periodic structure may be a one-dimensional periodic structure with high polarization selectivity or a two-dimensional periodic structure capable of reducing the degree of polarization.

サブミクロン構造は、複数の周期構造を含み得る。複数の周期構造は、例えば、周期(ピッチ)が互いに異なる。あるいは、複数の周期構造は、例えば、周期性を有する方向(軸)が互いに異なる。複数の周期構造は、同一面内に形成されてもよいし、積層されてもよい。もちろん、発光素子は、複数のフォトルミネッセンス層と複数の透光層とを有し、これらが複数のサブミクロン構造を有してもよい。   The submicron structure can include a plurality of periodic structures. The plurality of periodic structures have different periods (pitch), for example. Alternatively, the plurality of periodic structures are different from each other in the direction (axis) having periodicity, for example. The plurality of periodic structures may be formed in the same plane or may be stacked. Of course, the light-emitting element has a plurality of photoluminescence layers and a plurality of light-transmitting layers, and these may have a plurality of submicron structures.

サブミクロン構造は、フォトルミネッセンス層が発する光を制御するためだけでなく、励起光を効率よくフォトルミネッセンス層に導くためにも用いることができる。すなわち、励起光がサブミクロン構造により回折されフォトルミネッセンス層および透光層を導波する擬似導波モードに結合することで、効率よくフォトルミネッセンス層を励起することができる。フォトルミネッセンス材料を励起する光の空気中における波長をλexとし、この励起光に対するフォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-exとすると、λex/nwav-ex<Dint<λexの関係が成り立つサブミクロン構造を用いればよい。nwav-exはフォトルミネッセンス材料の励起波長における屈折率である。周期をpexとすると、λex/nwav-ex<pex<λexの関係が成り立つ周期構造を有するサブミクロン構造を用いてもよい。励起光の波長λexは、例えば、450nmであるが、可視光よりも短波長であってもよい。励起光の波長が可視光の範囲内にある場合、フォトルミネッセンス層が発する光とともに、励起光を出射するようにしてもよい。 The submicron structure can be used not only to control the light emitted from the photoluminescence layer, but also to efficiently guide the excitation light to the photoluminescence layer. That is, the excitation light is diffracted by the submicron structure and coupled to the pseudo-waveguide mode in which the excitation light is guided through the photoluminescence layer and the light transmission layer, so that the photoluminescence layer can be efficiently excited. Λ ex / n wav-ex <D intex , where λ ex is the wavelength of light in the air that excites the photoluminescent material, and n wav-ex is the refractive index of the photoluminescence layer for this excitation light. A sub-micron structure in which is satisfied may be used. n wav-ex is the refractive index at the excitation wavelength of the photoluminescent material. If the period is p ex , a submicron structure having a periodic structure in which the relationship of λ ex / n wav-ex <p exex may be used. The wavelength λ ex of the excitation light is, for example, 450 nm, but may be shorter than visible light. When the wavelength of the excitation light is within the range of visible light, the excitation light may be emitted together with the light emitted from the photoluminescence layer.

[2.本開示の基礎となった知見]
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本開示の基礎となった知見を説明する。上述のように、蛍光灯、白色LEDなどで使われるフォトルミネッセンス材料は等方的に発光する。特定の方向を光で照らすためには、リフレクターやレンズなどの光学部品が必要である。しかしながら、もしフォトルミネッセンス層自身が指向性をもって発光すれば、上記のような光学部品は不要になる(若しくは小さくできる)。これにより、光学デバイスや器具の大きさを大幅に小さくすることができる。本発明者らは、このような着想に基づき、指向性発光を得るために、フォトルミネッセンス層の構成を詳細に検討した。
[2. Knowledge underlying this disclosure]
Before describing specific embodiments of the present disclosure, first, knowledge that is the basis of the present disclosure will be described. As described above, photoluminescent materials used in fluorescent lamps, white LEDs, and the like emit light isotropically. In order to illuminate a specific direction with light, optical components such as a reflector and a lens are required. However, if the photoluminescence layer itself emits light with directivity, the optical component as described above becomes unnecessary (or can be reduced). Thereby, the magnitude | size of an optical device or an instrument can be reduced significantly. Based on such an idea, the present inventors have studied in detail the configuration of the photoluminescence layer in order to obtain directional light emission.

本発明者らは、まず、フォトルミネッセンス層からの光が特定の方向に偏るようにするため、発光自体に特定の方向性をもたせることを考えた。発光を特徴付ける指標である発光レートΓは、フェルミの黄金則により、以下の式(1)で表される。

Figure 2017040818

The inventors of the present invention first considered that the light emission itself has a specific directionality so that light from the photoluminescence layer is biased in a specific direction. The light emission rate Γ, which is an index characterizing light emission, is expressed by the following formula (1) according to Fermi's golden rule.
Figure 2017040818

式(1)において、rは位置を表すベクトル、λは光の波長、dは双極子ベクトル、Eは電場ベクトル、ρは状態密度である。一部の結晶性物質を除く多くの物質では、双極子ベクトルdはランダムな方向性を有している。また、フォトルミネッセンス層のサイズと厚さが光の波長よりも十分に大きい場合、電場Eの大きさも向きに依らずほとんど一定である。よって、ほとんどの場合、<(d・E(r))>2の値は方向に依らない。即ち、発光レートΓは方向に依らず一定である。このため、ほとんどの場合においてフォトルミネッセンス層は等方的に発光する。 In equation (1), r is a position vector, λ is the wavelength of light, d is a dipole vector, E is an electric field vector, and ρ is a density of states. In many materials except some crystalline materials, the dipole vector d has a random orientation. Further, when the size and thickness of the photoluminescence layer are sufficiently larger than the wavelength of light, the magnitude of the electric field E is almost constant regardless of the direction. Therefore, in most cases, the value of <(d · E (r))> 2 does not depend on the direction. That is, the light emission rate Γ is constant regardless of the direction. For this reason, in most cases, the photoluminescence layer emits isotropically.

一方、式(1)から、異方的な発光を得るためには、双極子ベクトルdを特定の方向に揃えるか、電場ベクトルの特定方向の成分を増強するかのいずれかの工夫が必要である。これらのいずれかの工夫を行うことで、指向性発光を実現できる。本開示の実施形態では、フォトルミネッセンス層へ光を閉じ込める効果により、特定方向の電場成分が増強された擬似導波モードを利用する。そのための構成について検討し、詳細に分析した結果を以下に説明する。   On the other hand, in order to obtain anisotropic light emission from the formula (1), it is necessary to devise either a dipole vector d aligned in a specific direction or a component in a specific direction of the electric field vector to be enhanced. is there. Directional emission can be realized by any one of these devices. In an embodiment of the present disclosure, a pseudo waveguide mode in which an electric field component in a specific direction is enhanced due to the effect of confining light in the photoluminescence layer is used. The structure for that purpose is examined and the result analyzed in detail is demonstrated below.

[3.特定の方向の電場のみを強くする構成]
本願発明者らは、電場が強い導波モードを用いて、発光の制御を行うことを考えた。導波構造自体がフォトルミネッセンス材料を含む構成とすることで、発生した光を導波モードに結合させることができる。しかし、ただ単にフォトルミネッセンス材料を用いて導波構造を形成しただけでは、発せられた光が導波モードとなるため、正面方向へはほとんど光は出てこない。そこで、本願発明者らは、フォトルミネッセンス材料を含む導波路と周期構造とを組み合わせることを考えた。導波路に周期構造が近接し、光の電場が周期構造と重なりながら導波する場合、周期構造の作用により擬似導波モードが存在する。つまり、この擬似導波モードは、周期構造により制限された導波モードであり、電場振幅の腹が周期構造の周期と同じ周期で発生することを特徴とする。このモードは、光が導波構造に閉じ込められることにより特定方向への電場が強められたモードである。さらに、このモードは周期構造と相互作用することで、回折効果により特定方向の伝播光へと変換されるため、導波路外部へと光を出射することができる。さらに、擬似導波モード以外の光は導波路内に閉じ込められる効果が小さいため、電場は増強されない。よって、発光のほとんどは大きな電場成分を有する擬似導波モードへと結合することになる。
[3. Configuration to strengthen only the electric field in a specific direction]
The inventors of the present application considered controlling light emission by using a waveguide mode with a strong electric field. When the waveguide structure itself includes a photoluminescence material, the generated light can be coupled to the waveguide mode. However, if the waveguide structure is simply formed using a photoluminescence material, the emitted light becomes a waveguide mode, so that almost no light is emitted in the front direction. Therefore, the inventors of the present application considered combining a waveguide including a photoluminescent material with a periodic structure. When the periodic structure is close to the waveguide and the light is guided while overlapping the periodic structure, a pseudo waveguide mode exists due to the action of the periodic structure. That is, this pseudo waveguide mode is a waveguide mode limited by the periodic structure, and is characterized in that the antinodes of the electric field amplitude are generated in the same period as the period of the periodic structure. This mode is a mode in which the electric field in a specific direction is strengthened by confining light in the waveguide structure. Furthermore, since this mode interacts with the periodic structure and is converted into propagating light in a specific direction by the diffraction effect, light can be emitted to the outside of the waveguide. Furthermore, since the light other than the pseudo waveguide mode has a small effect of being confined in the waveguide, the electric field is not enhanced. Therefore, most of the light emission is coupled to the pseudo waveguide mode having a large electric field component.

つまり、本願発明者らは、周期構造が近接して設けられた導波路を、フォトルミネッセンス材料を含むフォトルミネッセンス層(あるいはフォトルミネッセンス層を有する導波層)によって構成することで、発生した光を、特定方向の伝播光に変換される擬似導波モードに結合させ、指向性のある光源を実現することを考えた。   In other words, the inventors of the present application configure a waveguide having a periodic structure close thereto by a photoluminescence layer containing a photoluminescence material (or a waveguide layer having a photoluminescence layer), thereby generating generated light. We considered to realize a directional light source by coupling to a quasi-guided mode that is converted into propagating light in a specific direction.

導波構造の簡便な構成として、スラブ型導波路に着目した。スラブ型導波路とは、光の導波部分が平板構造を有する導波路のことである。図30は、スラブ型導波路110Sの一例を模式的に示す斜視図である。導波路110Sの屈折率が導波路110Sを支持する透明基板140の屈折率よりも高いとき、導波路110S内を伝播する光のモードが存在する。このようなスラブ型導波路をフォトルミネッセンス層を含む構成とすることで、発光点から生じた光の電場が導波モードの電場と大きく重なるので、フォトルミネッセンス層で生じた光の大部分を導波モードに結合させることができる。さらに、フォトルミネッセンス層の厚さを光の波長程度とすることにより、電場振幅の大きい導波モードのみが存在する状況を作り出すことができる。   As a simple structure of the waveguide structure, attention was paid to a slab type waveguide. The slab type waveguide is a waveguide in which a light guiding portion has a flat plate structure. FIG. 30 is a perspective view schematically showing an example of the slab waveguide 110S. When the refractive index of the waveguide 110S is higher than the refractive index of the transparent substrate 140 that supports the waveguide 110S, there is a mode of light propagating in the waveguide 110S. By constructing such a slab-type waveguide including a photoluminescence layer, the electric field of light generated from the light emitting point greatly overlaps the electric field of the waveguide mode, so that most of the light generated in the photoluminescence layer is guided. Can be coupled to wave mode. Furthermore, by setting the thickness of the photoluminescence layer to be approximately the wavelength of light, it is possible to create a situation in which only a waveguide mode having a large electric field amplitude exists.

さらに、フォトルミネッセンス層に周期構造が近接する場合には、導波モードの電場が周期構造と相互作用することで擬似導波モードが形成される。フォトルミネッセンス層が複数の層で構成されている場合でも、導波モードの電場が周期構造に達していれば、擬似導波モードが形成されることになる。フォトルミネッセンス層の全てがフォトルミネッセンス材料である必要はなく、その少なくとも一部の領域が発光する機能を有していればよい。   Further, when the periodic structure is close to the photoluminescence layer, the pseudo-waveguide mode is formed by the electric field of the waveguide mode interacting with the periodic structure. Even when the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers, if the electric field of the waveguide mode reaches the periodic structure, a pseudo waveguide mode is formed. It is not necessary for all of the photoluminescence layer to be a photoluminescence material, and it is sufficient that at least a part of the photoluminescence layer has a function of emitting light.

周期構造を金属で形成した場合には、導波モードとプラズモン共鳴の効果によるモードが形成される。このモードは、上で述べた擬似導波モードとは異なる性質を有する。また、このモードは金属による吸収が大きいためロスが大きくなり、発光増強の効果は小さくなる。したがって、周期構造としては、吸収の少ない誘電体を用いるのが望ましい。   When the periodic structure is formed of a metal, a mode based on the waveguide mode and the effect of plasmon resonance is formed. This mode has different properties from the quasi-guided mode described above. In addition, in this mode, since the absorption by the metal is large, the loss becomes large and the effect of enhancing the light emission becomes small. Therefore, it is desirable to use a dielectric material with low absorption as the periodic structure.

本発明者らは、まずこのような導波路の表面に、周期構造を形成することで、特定の角度方向の伝播光として出射することのできる擬似導波モードに、発生した光を結合させることを検討した。図1Aは、そのような導波路(例えば、フォトルミネッセンス層)110と周期構造(例えば、透光層の一部)120とを有する発光素子100の一例を模式的に示す斜視図である。以下、透光層が周期構造を有している場合(即ち、透光層に周期的なサブミクロン構造が形成されている場合)、周期構造120を透光層120ということがある。この例では、周期構造120は、各々がy方向に延びるストライプ状の複数の凸部がx方向に等間隔に並んだ1次元周期構造である。図1Bは、この発光素子100をxz面に平行な平面で切断したときの断面図である。導波路110に接するように周期pの周期構造120を設けると、面内方向の波数kwavをもつ擬似導波モードは、導波路外の伝播光へと変換され、その波数koutは以下の式(2)で表すことができる。

Figure 2017040818

First, the present inventors form a periodic structure on the surface of such a waveguide to couple the generated light to a pseudo-waveguide mode that can be emitted as propagating light in a specific angular direction. It was investigated. FIG. 1A is a perspective view schematically showing an example of a light emitting device 100 having such a waveguide (for example, a photoluminescence layer) 110 and a periodic structure (for example, a part of a light transmitting layer) 120. Hereinafter, when the light transmitting layer has a periodic structure (that is, when a periodic submicron structure is formed in the light transmitting layer), the periodic structure 120 may be referred to as the light transmitting layer 120. In this example, the periodic structure 120 is a one-dimensional periodic structure in which a plurality of stripe-shaped convex portions each extending in the y direction are arranged at equal intervals in the x direction. FIG. 1B is a cross-sectional view of the light emitting device 100 taken along a plane parallel to the xz plane. When the periodic structure 120 having a period p is provided so as to be in contact with the waveguide 110, the pseudo-waveguide mode having the wave number k wav in the in-plane direction is converted into propagating light outside the waveguide, and the wave number k out is It can be represented by Formula (2).
Figure 2017040818

式(2)におけるmは整数であり、回折の次数を表す。   M in Formula (2) is an integer and represents the order of diffraction.

ここで、簡単のため、近似的に導波路内を導波する光を角度θwavで伝播する光線であると考え、以下の式(3)および(4)が成立するとする。

Figure 2017040818



Figure 2017040818
Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the light guided in the waveguide approximately is a light beam propagating at an angle θ wav , and the following equations (3) and (4) hold.
Figure 2017040818



Figure 2017040818

これらの式において、λ0は光の空気中の波長、nwavは導波路の屈折率、noutは出射側の媒質の屈折率、θoutは光が導波路外の基板または空気に出射するときの出射角度である。式(2)〜(4)から、出射角度θoutは、以下の式(5)で表すことができる。

Figure 2017040818

In these equations, λ 0 is the wavelength of light in the air, n wav is the refractive index of the waveguide, n out is the refractive index of the medium on the exit side, and θ out is the light emitted to the substrate or air outside the waveguide. Is the exit angle. From the equations (2) to (4), the emission angle θ out can be expressed by the following equation (5).
Figure 2017040818

式(5)より、nwavsinθwav=mλ0/pが成立するとき、θout=0となり、導波路の面に垂直な方向(即ち、正面)に光を出射させることができることがわかる。 From equation (5), it can be seen that when n wav sin θ wav = mλ 0 / p holds, θ out = 0, and light can be emitted in a direction perpendicular to the plane of the waveguide (ie, the front).

以上のような原理に基づけば、発生した光を特定の擬似導波モードに結合させ、さらに周期構造を利用して特定の出射角度の光に変換することにより、その方向に強い光を出射させることができると考えられる。   Based on the above principle, the generated light is coupled to a specific quasi-waveguide mode, and further converted into light having a specific emission angle using a periodic structure, thereby emitting strong light in that direction. It is considered possible.

上記のような状況を実現するためには、いくつかの制約条件がある。まず、擬似導波モードが存在するためには、導波路内で伝播する光が全反射することが必要である。このための条件は、以下の式(6)で表される。

Figure 2017040818

In order to realize the above situation, there are some constraints. First, in order for the pseudo waveguide mode to exist, it is necessary that the light propagating in the waveguide is totally reflected. The condition for this is expressed by the following formula (6).
Figure 2017040818

この擬似導波モードを周期構造によって回折させて導波路外に光を出射させるためには、式(5)において−1<sinθout<1である必要がある。よって、以下の式(7)を満足する必要がある。

Figure 2017040818

In order to diffract this pseudo waveguide mode by the periodic structure and to emit light outside the waveguide, it is necessary to satisfy −1 <sin θ out <1 in the equation (5). Therefore, it is necessary to satisfy the following formula (7).
Figure 2017040818

これに対し、式(6)を考慮すると、以下の式(8)が成立すればよいことがわかる。

Figure 2017040818

On the other hand, considering the equation (6), it can be seen that the following equation (8) should be satisfied.
Figure 2017040818

さらに、導波路110から出射される光の方向を正面方向(θout=0)にするためには、式(5)から、以下の式(9)が必要であることがわかる。

Figure 2017040818

Further, in order to make the direction of the light emitted from the waveguide 110 the front direction (θ out = 0), it can be seen from the equation (5) that the following equation (9) is necessary.
Figure 2017040818

式(9)および式(6)から、必要な条件は、以下の式(10)であることがわかる。

Figure 2017040818

From formula (9) and formula (6), it can be seen that the necessary condition is the following formula (10).
Figure 2017040818

なお、図1Aおよび図1Bに示すような周期構造を設けた場合には、mが2以上の高次の回折効率は低いため、m=1である1次の回折光を主眼に設計すると良い。このため、本実施形態における周期構造では、m=1として、式(10)を変形した以下の式(11)を満足するように周期pが決定される。

Figure 2017040818

When the periodic structure as shown in FIGS. 1A and 1B is provided, the first-order diffracted light with m = 1 should be designed mainly because the high-order diffraction efficiency with m = 2 or higher is low. . For this reason, in the periodic structure in the present embodiment, m = 1 and the period p is determined so as to satisfy the following expression (11) obtained by modifying expression (10).
Figure 2017040818

図1Aおよび図1Bに示すように、導波路(フォトルミネッセンス層)110が透明基板に接していない場合には、noutは空気の屈折率(約1.0)となるため、以下の式(12)を満足するように周期pを決定すればよい。

Figure 2017040818

As shown in FIG. 1A and FIG. 1B, when the waveguide (photoluminescence layer) 110 is not in contact with the transparent substrate, n out becomes the refractive index of air (about 1.0). The period p may be determined so as to satisfy 12).
Figure 2017040818

一方、図1Cおよび図1Dに例示するような透明基板140上にフォトルミネッセンス層110および周期構造120を形成した構造を採用してもよい。この場合には、透明基板140の屈折率nsが空気の屈折率よりも大きいことから、式(11)においてnout=nsとした次式(13)を満足するように周期pを決定すればよい。

Figure 2017040818

On the other hand, a structure in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D may be employed. In this case, determined from the refractive index n s of the transparent substrate 140 is larger than the refractive index of air, the following equation was n out = n s in equation (11) the period p to satisfy (13) do it.
Figure 2017040818

なお、式(12)、(13)では、式(10)においてm=1の場合を想定したが、m≧2であってもよい。すなわち、図1Aおよび図1Bに示すように発光素子100の両面が空気層に接している場合には、mを1以上の整数として、以下の式(14)を満足するように周期pが設定されていればよい。

Figure 2017040818

In equations (12) and (13), it is assumed that m = 1 in equation (10), but m ≧ 2 may be satisfied. That is, when both surfaces of the light emitting element 100 are in contact with the air layer as shown in FIGS. 1A and 1B, the period p is set so that m is an integer of 1 or more and the following expression (14) is satisfied. It only has to be done.
Figure 2017040818

同様に、図1Cおよび図1Dに示す発光素子100aのようにフォトルミネッセンス層110が透明基板140上に形成されている場合には、以下の式(15)を満足するように周期pが設定されていればよい。

Figure 2017040818

Similarly, when the photoluminescence layer 110 is formed on the transparent substrate 140 as in the light emitting element 100a shown in FIGS. 1C and 1D, the period p is set so as to satisfy the following formula (15). It only has to be.
Figure 2017040818

以上の不等式を満足するように周期構造の周期pを決定することにより、フォトルミネッセンス層110から発生した光を正面方向に出射させることができるため、指向性を有する発光装置を実現できる。   By determining the period p of the periodic structure so as to satisfy the above inequality, light generated from the photoluminescence layer 110 can be emitted in the front direction, so that a light emitting device having directivity can be realized.

[4.計算による検証]
[4−1.周期、波長依存性]
本発明者らは、以上のような特定方向への光の出射が実際に可能であるかを光学解析によって検証した。光学解析は、サイバネット社のDiffractMODを用いた計算によって行った。これらの計算では、発光素子に対して外部から垂直に光を入射したときに、フォトルミネッセンス層における光の吸収の増減を計算することで、外部へ垂直に出射する光の増強度を求めた。外部から入射した光が擬似導波モードに結合しフォトルミネッセンス層で吸収されるという過程は、フォトルミネッセンス層における発光が擬似導波モードへと結合し、外部へ垂直に出射する伝播光へと変換される過程と逆の過程を計算していることに対応する。また、擬似導波モードの電場分布の計算においても、同様に外部から光を入射した場合における電場を計算した。
[4. Verification by calculation]
[4-1. Period, wavelength dependence]
The present inventors have verified by optical analysis whether light can be emitted in a specific direction as described above. The optical analysis was carried out by calculation using the Cybernet DiffractMOD. In these calculations, when light is vertically incident on the light emitting element from the outside, the increase or decrease in light absorption in the photoluminescence layer is calculated, thereby obtaining the enhancement of the light emitted vertically to the outside. The process in which light incident from the outside is coupled to the quasi-waveguide mode and absorbed by the photoluminescence layer is converted into propagating light that is emitted from the photoluminescence layer to the quasi-waveguide mode and exits perpendicularly to the outside. This corresponds to the calculation of the opposite process. Further, in the calculation of the electric field distribution in the pseudo waveguide mode, the electric field when light is incident from the outside was calculated in the same manner.

フォトルミネッセンス層の膜厚を1μm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造の高さを50nm、周期構造の屈折率を1.5とし、発光波長および周期構造の周期をそれぞれ変えて、正面方向に出射する光の増強度を計算した結果を図2に示す。計算モデルは、図1Aに示すように、y方向には均一な1次元周期構造とし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるとして計算を行った。図2の結果から、増強度のピークが、ある特定の波長と周期との組み合わせにおいて存在することがわかる。なお、図2において、増強度の大きさは色の濃淡で表されており、濃い(即ち黒い)方が増強度が大きく、淡い(即ち白い)方が増強度が小さい。 The film thickness of the photoluminescence layer is 1 μm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the height of the periodic structure is 50 nm, the refractive index of the periodic structure is 1.5, the emission wavelength and the period of the periodic structure are FIG. 2 shows the result of calculating the intensities of the light emitted in the front direction while changing each. As shown in FIG. 1A, the calculation model was calculated with a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. From the result of FIG. 2, it can be seen that a peak of enhancement exists at a certain combination of wavelength and period. In FIG. 2, the magnitude of the enhancement is represented by the shade of the color, and the darker (that is, black) has a larger enhancement and the lighter (that is, white) has a smaller enhancement.

上記の計算において、周期構造の断面は、図1Bに示すような矩形であるものとしている。式(10)におけるm=1およびm=3の条件を図示したグラフを図3に示す。図2と図3とを比較すると、図2におけるピーク位置はm=1とm=3に対応するところに存在することがわかる。m=1の方が強度が強いのは、3次以上の高次の回折光よりも1次の回折光の回折効率の方が高いからである。m=2のピークが存在しないのは、周期構造における回折効率が低いためである。   In the above calculation, the cross section of the periodic structure is assumed to be rectangular as shown in FIG. 1B. A graph illustrating the conditions of m = 1 and m = 3 in equation (10) is shown in FIG. Comparing FIG. 2 and FIG. 3, it can be seen that the peak positions in FIG. 2 exist at locations corresponding to m = 1 and m = 3. The reason why m = 1 is stronger is that the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is higher than that of the third-order or higher-order diffracted light. The reason why the peak of m = 2 does not exist is that the diffraction efficiency in the periodic structure is low.

図3で示したm=1およびm=3のそれぞれに対応する領域内において、図2では複数のラインが存在することが確認できる。これは、擬似導波モードが複数存在するからであると考えられる。   In the region corresponding to each of m = 1 and m = 3 shown in FIG. 3, it can be confirmed that there are a plurality of lines in FIG. This is considered to be because there are a plurality of pseudo waveguide modes.

[4−2.厚さ依存性]
図4は、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造の周期を400nm、高さを50nm、屈折率を1.5とし、発光波長およびフォトルミネッセンス層の厚さtを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を示す図である。フォトルミネッセンス層の厚さtが特定の値であるときに光の増強度がピークに達することがわかる。
[4-2. Thickness dependence]
In FIG. 4, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the period of the periodic structure is 400 nm, the height is 50 nm, the refractive index is 1.5, and the emission wavelength and the thickness t of the photoluminescence layer are changed. It is a figure which shows the result of having calculated the intensification of the light output in a front direction. It can be seen that the light intensity reaches a peak when the thickness t of the photoluminescence layer is a specific value.

図4においてピークが存在する波長600nm、厚さt=238nm、539nmのときに、x方向に導波するモードの電場分布を計算した結果を図5Aおよび図5Bにそれぞれ示す。比較のため、ピークが存在しないt=300nmの場合について同様の計算を行った結果を図5Cに示す。計算モデルは、上記と同様、y方向に均一な1次元周期構造であるとした。各図において、黒い領域ほど電場強度が高く、白い領域ほど電場強度が低いことを表している。t=238nm、539nmの場合には高い電場強度の分布があるのに対して、t=300nmでは全体的に電場強度が低い。これは、t=238nm、539nmの場合には、導波モードが存在し、光が強く閉じ込められているからである。さらに、凸部または凸部の直下に電場が最も強い部分(腹)が必ず存在しており、周期構造120と相関のある電場が発生している特徴が見て取れる。つまり、周期構造120の配置に従って、導波するモードが得られていることがわかる。また、t=238nmの場合とt=539nmの場合とを比較すると、z方向の電場の節(白い部分)の数が1つだけ異なるモードであることが分かる。   FIG. 5A and FIG. 5B show the results of calculating the electric field distribution of the mode guided in the x direction when the wavelength where the peak exists in FIG. 4 is 600 nm and the thickness is t = 238 nm and 539 nm. For comparison, FIG. 5C shows the result of the same calculation performed when t = 300 nm where no peak exists. The calculation model was assumed to be a one-dimensional periodic structure uniform in the y direction, as described above. In each figure, the black region indicates that the electric field strength is high, and the white region indicates that the electric field strength is low. In the case of t = 238 nm and 539 nm, there is a high electric field intensity distribution, whereas in the case of t = 300 nm, the electric field intensity is low overall. This is because when t = 238 nm and 539 nm, a waveguide mode exists and light is strongly confined. Furthermore, there is always a convex portion or a portion (antinode) where the electric field is strongest immediately below the convex portion, and it can be seen that the electric field correlated with the periodic structure 120 is generated. That is, it can be seen that a guided mode is obtained according to the arrangement of the periodic structure 120. Further, comparing the case of t = 238 nm with the case of t = 539 nm, it can be seen that the mode is different in the number of nodes (white portions) in the z direction by one.

[4−3.偏光依存性]
次に偏光依存性を確認するために、図2の計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードである場合について光の増強度の計算を行った。本計算の結果を図6に示す。TMモードのとき(図2)に比べ、ピーク位置は多少変化しているものの、図3で示した領域内にピーク位置が納まっている。よって、本実施形態の構成は、TMモード、TEモードのいずれの偏光についても有効であることが確認できた。
[4-3. Polarization dependence]
Next, in order to confirm the polarization dependence, the light enhancement was calculated for the case where the polarization of the light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those in FIG. The result of this calculation is shown in FIG. Compared to the TM mode (FIG. 2), the peak position is slightly changed, but the peak position is within the region shown in FIG. Therefore, it was confirmed that the configuration of this embodiment is effective for both TM mode and TE mode polarization.

[4−4.2次元周期構造]
さらに、2次元の周期構造による効果の検討を行った。図7Aは、x方向およびy方向の両方向に凹部および凸部が配列された2次元の周期構造120’の一部を示す平面図である。図中の黒い領域が凸部、白い領域が凹部を示している。このような2次元周期構造では、x方向とy方向の両方の回折を考慮する必要がある。x方向のみ、あるいはy方向のみの回折に関しては1次元の場合と同様であるが、x、y両方の成分を有する方向(例えば、斜め45°方向)の回折も存在するため、1次元の場合とは異なる結果が得られることが期待できる。このような2次元周期構造に関して光の増強度を計算した結果を図7Bに示す。周期構造以外の計算条件は図2の条件と同じである。図7Bに示すように、図2に示すTMモードのピーク位置に加えて、図6に示すTEモードにおけるピーク位置と一致するピーク位置も観測された。この結果は、2次元周期構造により、TEモードも、回折により変換されて出力されていることを示している。また、2次元周期構造については、x方向およびy方向の両方について、同時に1次の回折条件を満足する回折も考慮する必要がある。このような回折光は、周期pの√2倍(即ち、21/2倍)の周期に対応する角度の方向に出射する。よって、1次元周期構造の場合のピークに加えて、周期pの√2倍の周期についてもピークが発生すると考えられる。図7Bでは、このようなピークも確認できる。
[4-4.2 Two-dimensional periodic structure]
Furthermore, the effect by a two-dimensional periodic structure was examined. FIG. 7A is a plan view showing a part of a two-dimensional periodic structure 120 ′ in which concave and convex portions are arranged in both the x and y directions. The black area in the figure indicates a convex portion, and the white area indicates a concave portion. In such a two-dimensional periodic structure, it is necessary to consider diffraction in both the x and y directions. Diffraction only in the x direction or only in the y direction is the same as in the one-dimensional case, but there is also diffraction in a direction having both x and y components (for example, an oblique 45 ° direction). It can be expected that different results will be obtained. FIG. 7B shows the result of calculating the light enhancement for such a two-dimensional periodic structure. The calculation conditions other than the periodic structure are the same as the conditions in FIG. As shown in FIG. 7B, in addition to the peak position in the TM mode shown in FIG. 2, a peak position that coincides with the peak position in the TE mode shown in FIG. 6 was also observed. This result shows that the TE mode is also converted and output by diffraction due to the two-dimensional periodic structure. In addition, regarding the two-dimensional periodic structure, it is necessary to consider diffraction that satisfies the first-order diffraction conditions simultaneously in both the x direction and the y direction. Such diffracted light is emitted in the direction of an angle corresponding to a period √2 times (that is, 2 1/2 times) the period p. Therefore, in addition to the peak in the case of the one-dimensional periodic structure, it is considered that a peak is generated for a period that is √2 times the period p. In FIG. 7B, such a peak can also be confirmed.

2次元周期構造としては、図7Aに示すようなx方向およびy方向の周期が等しい正方格子の構造に限らず、図18Aおよび図18Bのような六角形や三角形を並べた格子構造であってもよい。また、方位方向によって(例えば、正方格子の場合x方向およびy方向)の周期が異なる構造であってもよい。   The two-dimensional periodic structure is not limited to a square lattice structure having the same period in the x direction and the y direction as shown in FIG. 7A, but is a lattice structure in which hexagons and triangles are arranged as shown in FIGS. 18A and 18B. Also good. Moreover, the structure where the period of a direction differs (for example, x direction and y direction in the case of a square lattice) may be sufficient.

以上のように、本実施形態では、周期構造とフォトルミネッセンス層とによって形成される特徴的な擬似導波モードの光を、周期構造による回折現象を利用して、正面方向にのみ選択的に出射できることが確認できた。このような構成で、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性を有する発光が得られる。   As described above, in this embodiment, the characteristic pseudo-waveguide mode light formed by the periodic structure and the photoluminescence layer is selectively emitted only in the front direction using the diffraction phenomenon due to the periodic structure. I was able to confirm that it was possible. With such a configuration, light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet rays or blue light.

[5.周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成の検討]
次に、周期構造およびフォトルミネッセンス層の構成や屈折率などの各種条件を変えたときの効果について説明する。
[5. Study of periodic structure and photoluminescence layer configuration]
Next, the effect when various conditions such as the structure of the periodic structure and the photoluminescence layer and the refractive index are changed will be described.

[5−1.周期構造の屈折率]
まず、周期構造の屈折率に関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を200nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造とし、高さを50nm、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の屈折率を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図8に示す。また、同様の条件でフォトルミネッセンス層の膜厚を1000nmにした場合の結果を図9に示す。
[5-1. Refractive index of periodic structure]
First, the refractive index of the periodic structure was examined. The film thickness of the photoluminescence layer is 200 nm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A, the height is 50 nm, and the period is The calculation was performed on the assumption that the light polarization was TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 8 shows the result of calculating the enhancement of the light output in the front direction by changing the emission wavelength and the refractive index of the periodic structure. Further, FIG. 9 shows the results when the film thickness of the photoluminescence layer is 1000 nm under the same conditions.

まず、フォトルミネッセンス層の膜厚に着目すると、膜厚が200nmの場合(図8)に比べ、膜厚が1000nmの場合(図9)のほうが、周期構造の屈折率の変化に対する光強度がピークとなる波長(ピーク波長と称する。)のシフトが小さいことがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の膜厚が小さいほど、擬似導波モードが周期構造の屈折率の影響を受けやすいからである。即ち、周期構造の屈折率が高いほど、有効屈折率が大きくなり、その分ピーク波長が長波長側にシフトするが、この影響は、膜厚が小さいほど顕著になる。なお、有効屈折率は、擬似導波モードの電場が分布する領域に存在する媒質の屈折率によって決まる。   First, focusing on the film thickness of the photoluminescence layer, the light intensity with respect to the change in the refractive index of the periodic structure is more peak when the film thickness is 1000 nm (FIG. 9) than when the film thickness is 200 nm (FIG. 8). It can be seen that the shift of the wavelength (referred to as the peak wavelength) becomes small. This is because the pseudo-waveguide mode is more susceptible to the refractive index of the periodic structure as the film thickness of the photoluminescence layer is smaller. That is, the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the effective refractive index, and the corresponding peak wavelength shifts to the longer wavelength side. This effect becomes more pronounced as the film thickness decreases. The effective refractive index is determined by the refractive index of the medium existing in the region where the electric field of the pseudo waveguide mode is distributed.

次に、周期構造の屈折率の変化に対するピークの変化に着目すると、屈折率が高いほどピークが広がり強度が下がっていることがわかる。これは、周期構造の屈折率が高いほど擬似導波モードの光を外部に放出するレートが高いため、光を閉じ込める効果が減少する、すなわちQ値が低くなることが原因である。ピーク強度を高く保つためには、光を閉じ込める効果が高い(即ちQ値が高い)擬似導波モードを利用して、適度に光を外部に放出する構成にすればよい。これを実現するためには、屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率に比べて大き過ぎる材料を周期構造に用いるのは望ましくないことがわかる。したがって、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造を構成する誘電体(即ち、透光層)の屈折率を、フォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にすればよい。フォトルミネッセンス層がフォトルミネッセンス材料以外の材料を含むときも同様である。   Next, paying attention to the change in the peak with respect to the change in the refractive index of the periodic structure, it can be seen that the higher the refractive index, the wider the peak and the lower the intensity. This is because the higher the refractive index of the periodic structure, the higher the rate at which the light in the pseudo waveguide mode is emitted to the outside, so that the effect of confining the light decreases, that is, the Q value decreases. In order to keep the peak intensity high, a configuration in which light is appropriately emitted to the outside by using a pseudo-waveguide mode having a high light confinement effect (that is, a high Q value) may be used. In order to realize this, it is understood that it is not desirable to use a material having a refractive index that is too large compared to the refractive index of the photoluminescence layer for the periodic structure. Therefore, in order to increase the peak intensity and the Q value to some extent, the refractive index of the dielectric (that is, the translucent layer) constituting the periodic structure may be made equal to or less than the refractive index of the photoluminescence layer. The same applies when the photoluminescence layer contains a material other than the photoluminescence material.

[5−2.周期構造の高さ]
次に、周期構造の高さに関して検討を行った。フォトルミネッセンス層の膜厚を1000nm、フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav=1.8、周期構造は図1Aに示すようなy方向に均一な1次元周期構造で屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとして計算を行った。発光波長および周期構造の高さを変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した結果を図10に示す。同様の条件で、周期構造の屈折率をnp=2.0とした場合の計算結果を図11に示す。図10に示す結果では、ある程度以上の高さではピーク強度やQ値(即ち、ピークの線幅)が変化していないのに対して、図11に示す結果では、周期構造の高さが大きいほどピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。これは、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも高い場合(図10)には、光が全反射するので、擬似導波モードの電場の染み出し(エバネッセント)部分のみが周期構造と相互作用することに起因する。電場のエバネッセント部分と周期構造との相互作用の影響は、周期構造の高さが十分大きい場合には、それ以上高さが変化しても一定である。一方、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合(図11)は、全反射せずに周期構造の表面にまで光が到達するので、周期構造の高さが大きいほどその影響を受ける。図11を見る限り、高さは100nm程度あれば十分であり、150nmを超える領域ではピーク強度およびQ値が低下していることがわかる。したがって、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが周期構造の屈折率npよりも低い場合に、ピーク強度およびQ値をある程度高くするためには、周期構造の高さを150nm以下に設定すればよい。
[5-2. Periodic structure height]
Next, the height of the periodic structure was examined. The film thickness of the photoluminescence layer is 1000 nm, the refractive index of the photoluminescence layer is n wav = 1.8, the periodic structure is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction as shown in FIG. 1A, and the refractive index is n p = 1. 5. Calculation was performed assuming that the period was 400 nm and the polarization of light was TM mode having an electric field component parallel to the y direction. FIG. 10 shows the result of calculating the enhancement of the light output in the front direction by changing the emission wavelength and the height of the periodic structure. FIG. 11 shows the calculation result when the refractive index of the periodic structure is n p = 2.0 under the same conditions. In the result shown in FIG. 10, the peak intensity and the Q value (that is, the line width of the peak) do not change at a height above a certain level, whereas in the result shown in FIG. 11, the height of the periodic structure is large. It can be seen that the peak intensity and the Q value are lowered. This is because, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is higher than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 10), the light is totally reflected, so that the electric field bleeds out (evanescent) in the pseudo waveguide mode. Only due to the interaction with the periodic structure. When the height of the periodic structure is sufficiently large, the influence of the interaction between the evanescent part of the electric field and the periodic structure is constant even if the height changes further. On the other hand, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is lower than the refractive index n p of the periodic structure (FIG. 11), the light reaches the surface of the periodic structure without being totally reflected, so the height of the periodic structure The larger the is, the more affected. As can be seen from FIG. 11, it is sufficient that the height is about 100 nm, and the peak intensity and the Q value are lowered in the region exceeding 150 nm. Therefore, when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is lower than the refractive index n p of the periodic structure, the height of the periodic structure may be set to 150 nm or less in order to increase the peak intensity and the Q value to some extent. .

[5−3.偏光方向]
次に、偏光方向に関して検討を行った。図9に示す計算と同じ条件で、光の偏光がy方向に垂直な電場成分を有するTEモードであるものとして計算した結果を図12に示す。TEモードでは、擬似導波モードの電場の染み出しがTMモードに比べて大きいため、周期構造による影響を受けやすい。よって、周期構造の屈折率npがフォトルミネッセンス層の屈折率nwavよりも大きい領域では、ピーク強度およびQ値の低下がTMモードよりも著しい。
[5-3. Polarization direction]
Next, the polarization direction was examined. FIG. 12 shows the result of calculation assuming that the polarization of light is a TE mode having an electric field component perpendicular to the y direction under the same conditions as those shown in FIG. In the TE mode, the electric field of the quasi-guided mode is larger than that in the TM mode, so that it is easily affected by the periodic structure. Therefore, in the region where the refractive index n p of the periodic structure is larger than the refractive index n wav of the photoluminescence layer, the peak intensity and the Q value are significantly decreased as compared with the TM mode.

[5−4.フォトルミネッセンス層の屈折率]
次に、フォトルミネッセンス層の屈折率に関して検討を行った。図9に示す計算と同様の条件で、フォトルミネッセンス層の屈折率nwavを1.5に変更した場合の結果を図13に示す。フォトルミネッセンス層の屈折率nwavが1.5の場合においても概ね図9と同様の効果が得られていることがわかる。ただし、波長が600nm以上の光は正面方向に出射していないことがわかる。これは、式(10)より、λ0<nwav×p/m=1.5×400nm/1=600nmとなるからである。
[5-4. Refractive index of photoluminescence layer]
Next, the refractive index of the photoluminescence layer was examined. FIG. 13 shows the result when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is changed to 1.5 under the same conditions as the calculation shown in FIG. It can be seen that the same effect as in FIG. 9 is obtained even when the refractive index n wav of the photoluminescence layer is 1.5. However, it can be seen that light having a wavelength of 600 nm or more is not emitted in the front direction. This is because λ 0 <n wav × p / m = 1.5 × 400 nm / 1 = 600 nm from Equation (10).

以上の分析から、周期構造の屈折率はフォトルミネッセンス層の屈折率と同等以下にするか、周期構造の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率以上の場合には、高さを150nm以下にすれば、ピーク強度およびQ値を高くできることがわかる。   From the above analysis, if the refractive index of the periodic structure is less than or equal to the refractive index of the photoluminescence layer, or if the refractive index of the periodic structure is greater than or equal to the refractive index of the photoluminescence layer, the height should be 150 nm or less. It can be seen that the peak intensity and the Q value can be increased.

[6.変形例]
以下、本実施形態の変形例を説明する。
[6. Modified example]
Hereinafter, modifications of the present embodiment will be described.

[6−1.基板を有する構成]
上述のように、発光素子は、図1Cおよび図1Dに示すように、透明基板140の上にフォトルミネッセンス層110および周期構造120が形成された構造を有していてもよい。このような発光素子100aを作製するには、まず、透明基板140上にフォトルミネッセンス層110を構成するフォトルミネッセンス材料(必要に応じて、マトリクス材料を含む、以下同じ。)で薄膜を形成し、その上に周期構造120を形成する方法が考えられる。このような構成において、フォトルミネッセンス層110と周期構造120とにより、光を特定の方向に出射する機能をもたせるためには、透明基板140の屈折率nsはフォトルミネッセンス層の屈折率nwav以下にする必要がある。透明基板140をフォトルミネッセンス層110に接するように設けた場合、式(10)における出射媒質の屈折率noutをnsとした式(15)を満足するように周期pを設定する必要がある。
[6-1. Configuration with substrate]
As described above, the light-emitting element may have a structure in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as illustrated in FIGS. 1C and 1D. In order to manufacture such a light-emitting element 100a, first, a thin film is formed on a transparent substrate 140 with a photoluminescent material (including a matrix material, if necessary, the same applies below) constituting the photoluminescent layer 110, A method of forming the periodic structure 120 thereon can be considered. In such a configuration, in order for the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 to have a function of emitting light in a specific direction, the refractive index n s of the transparent substrate 140 is less than the refractive index n wav of the photoluminescence layer. It is necessary to. When the transparent substrate 140 is provided so as to be in contact with the photoluminescence layer 110, it is necessary to set the period p so as to satisfy the equation (15) where the refractive index n out of the emission medium in the equation (10) is n s. .

このことを確認するために、屈折率が1.5の透明基板140の上に、図2に示す計算と同じ条件のフォトルミネッセンス層110および周期構造120を設けた場合の計算を行った。本計算の結果を図14に示す。図2の結果と同様、波長ごとに特定の周期において光強度のピークが現れることが確認できるが、ピークが現れる周期の範囲が図2の結果とは異なることがわかる。これに対して、式(10)の条件をnout=nsとした式(15)の条件を図15に示す。図14において、図15に示される範囲に対応する領域内に、光強度のピークが現れていることがわかる。 In order to confirm this, a calculation was performed when the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 having the same conditions as the calculation shown in FIG. 2 were provided on the transparent substrate 140 having a refractive index of 1.5. The result of this calculation is shown in FIG. As in the result of FIG. 2, it can be confirmed that a peak of light intensity appears in a specific period for each wavelength, but it can be seen that the range of the period in which the peak appears is different from the result of FIG. In contrast, shows the condition of the expression condition of (10) was n out = n s equation (15) in FIG. 15. In FIG. 14, it can be seen that the peak of the light intensity appears in the region corresponding to the range shown in FIG.

したがって、透明基板140上にフォトルミネッセンス層110と周期構造120とを設けた発光素子100aでは、式(15)を満足する周期pの範囲において効果が得られ、式(13)を満足する周期pの範囲において特に顕著な効果が得られる。   Therefore, in the light emitting element 100a in which the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are provided on the transparent substrate 140, an effect is obtained in the range of the period p that satisfies the expression (15), and the period p that satisfies the expression (13). In particular, a remarkable effect can be obtained in this range.

[6−2.励起光源を有する発光装置]
図16は、図1A、1Bに示す発光素子100と、励起光をフォトルミネッセンス層110に入射させる光源180とを備える発光装置200の構成例を示す図である。上述のように、本開示の構成では、フォトルミネッセンス層を紫外線や青色光などの励起光で励起させることにより、指向性をもつ発光が得られる。そのような励起光を出射するように構成された光源180を設けることにより、指向性をもつ発光装置200を実現できる。光源180から出射される励起光の波長は、典型的には紫外または青色領域の波長であるが、これらに限らず、フォトルミネッセンス層110を構成するフォトルミネッセンス材料に応じて適宜決定される。なお、図16では、光源180がフォトルミネッセンス層110の下面から励起光を入射させるように配置されているが、このような例に限定されず、例えば、フォトルミネッセンス層110の上面から励起光を入射させてもよい。励起光は、フォトルミネッセンス層110の主面(即ち、上面または下面)に垂直な方向に対して傾斜した方向から(即ち、斜めに)入射させてもよい。励起光を、フォトルミネッセンス層110内で全反射が生じる角度で斜めに入射させることにより、より効率的に発光させることができる。
[6-2. Light emitting device having excitation light source]
FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration example of a light-emitting device 200 including the light-emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B and a light source 180 that causes excitation light to enter the photoluminescence layer 110. As described above, in the configuration of the present disclosure, light emission having directivity can be obtained by exciting the photoluminescence layer with excitation light such as ultraviolet light or blue light. By providing the light source 180 configured to emit such excitation light, the light emitting device 200 having directivity can be realized. The wavelength of the excitation light emitted from the light source 180 is typically a wavelength in the ultraviolet or blue region, but is not limited thereto, and is appropriately determined according to the photoluminescent material constituting the photoluminescent layer 110. In FIG. 16, the light source 180 is arranged so that the excitation light is incident from the lower surface of the photoluminescence layer 110. However, the present invention is not limited to such an example. For example, the excitation light is emitted from the upper surface of the photoluminescence layer 110. It may be incident. The excitation light may be incident from a direction inclined (ie, obliquely) with respect to a direction perpendicular to the main surface (ie, upper surface or lower surface) of the photoluminescence layer 110. By making the excitation light incident obliquely at an angle at which total reflection occurs in the photoluminescence layer 110, light can be emitted more efficiently.

励起光を擬似導波モードに結合させることで、効率よく光を出射させる方法もある。図17Aから図17Dは、そのような方法を説明するための図である。この例では、図1C、1Dに示す構成と同様、透明基板140上にフォトルミネッセンス層110および周期構造120が形成されている。まず、図17Aに示すように、発光増強のためにx方向の周期pxを決定し、続いて、図17Bに示すように、励起光を擬似導波モードに結合させるためにy方向の周期pyを決定する。周期pxは、式(10)においてpをpxに置き換えた条件を満足するように決定される。一方、周期pyは、mを1以上の整数、励起光の波長をλex、フォトルミネッセンス層110に接する媒質のうち、周期構造120を除く最も屈折率の高い媒質の屈折率をnoutとして、以下の式(16)を満足するように決定される。

Figure 2017040818


There is also a method for efficiently emitting light by coupling excitation light into a pseudo-guide mode. 17A to 17D are diagrams for explaining such a method. In this example, the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 are formed on the transparent substrate 140 as in the configuration shown in FIGS. 1C and 1D. First, as shown in FIG. 17A, the period p x in the x direction is determined for light emission enhancement, and then, the period in the y direction is used to couple the excitation light to the pseudo waveguide mode as shown in FIG. 17B. to determine the p y. The period p x is determined so as to satisfy the condition in which p is replaced with p x in Equation (10). On the other hand, in the period py , m is an integer equal to or larger than 1, the wavelength of the excitation light is λ ex , and the medium having the highest refractive index excluding the periodic structure 120 out of the medium in contact with the photoluminescence layer 110 is n out. The following equation (16) is satisfied.
Figure 2017040818


ここで、noutは、図17Bの例では透明基板140のnsであるが、図16のように透明基板140を設けない構成では、空気の屈折率(約1.0)である。 Here, n out is n s of the transparent substrate 140 in the example of FIG. 17B, but in the configuration in which the transparent substrate 140 is not provided as in FIG. 16, it is the refractive index of air (about 1.0).

特に、m=1として、次の式(17)を満足するように周期pyを決定すれば、励起光を擬似導波モードに変換する効果をより高くすることができる。

Figure 2017040818

In particular, if m = 1 and the period py is determined so as to satisfy the following expression (17), the effect of converting the excitation light into the pseudo-waveguide mode can be further enhanced.
Figure 2017040818

このように、式(16)の条件(特に式(17)の条件)を満足するように周期pyを設定することで、励起光を擬似導波モードに変換することができる。その結果、フォトルミネッセンス層110に効率的に波長λexの励起光を吸収させることができる。 In this way, by setting the period p y so as to satisfy the condition (in particular the condition of equation (17)) of formula (16) can be converted excitation light to the pseudo guided mode. As a result, the photoluminescence layer 110 can efficiently absorb the excitation light having the wavelength λ ex .

図17Cおよび図17Dは、それぞれ、図17Aおよび図17Bに示す構造に対して光を入射したときに光が吸収される割合を波長ごとに計算した結果を示す図である。この計算では、px=365nm、py=265nmとし、フォトルミネッセンス層110からの発光波長λを約600nm、励起光の波長λexを約450nm、フォトルミネッセンス層110の消衰係数を0.003としている。図17Dに示すように、フォトルミネッセンス層110から生じた光だけでなく、励起光である約450nmの光に対して高い吸収率を示している。これは、入射した光が効果的に擬似導波モードに変換されることで、フォトルミネッセンス層に吸収される割合を増大させることができているためである。また、発光波長である約600nmに対しても吸収率が増大しているが、これは、もし約600nmの波長の光をこの構造に入射した場合には、同様に効果的に擬似導波モードに変換されるということである。このように、図17Bに示す周期構造120は、x方向およびy方向のそれぞれに周期の異なる構造(周期成分と称する。)を有する2次元周期構造である。このように、複数の周期成分を有する2次元周期構造を用いることにより、励起効率を高めつつ、出射強度を高めることが可能になる。なお、図17A、17Bでは励起光を基板140側から入射させているが、周期構造120側から入射させても同じ効果が得られる。 FIG. 17C and FIG. 17D are diagrams showing the results of calculating the ratio of light absorption for each wavelength when light is incident on the structure shown in FIG. 17A and FIG. 17B, respectively. In this calculation, p x = 365 nm and p y = 265 nm, the emission wavelength λ from the photoluminescence layer 110 is about 600 nm, the wavelength λ ex of the excitation light is about 450 nm, and the extinction coefficient of the photoluminescence layer 110 is 0.003. It is said. As shown in FIG. 17D, not only the light generated from the photoluminescence layer 110 but also light having a wavelength of about 450 nm that is excitation light is shown. This is because the incident light is effectively converted into the pseudo-waveguide mode, so that the proportion absorbed by the photoluminescence layer can be increased. In addition, the absorptance is increased with respect to the emission wavelength of about 600 nm. This is because if the light having a wavelength of about 600 nm is incident on this structure, the pseudo-waveguide mode can be effectively effectively applied. Is converted to. As described above, the periodic structure 120 illustrated in FIG. 17B is a two-dimensional periodic structure having structures with different periods (referred to as periodic components) in each of the x direction and the y direction. Thus, by using a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components, it is possible to increase the emission intensity while increasing the excitation efficiency. In FIGS. 17A and 17B, the excitation light is incident from the substrate 140 side, but the same effect can be obtained even if it is incident from the periodic structure 120 side.

さらに、複数の周期成分を有する2次元周期構造としては、図18Aまたは図18Bに示すような構成を採用してもよい。図18Aに示すように六角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成や、図18Bに示すように三角形の平面形状を有する複数の凸部または凹部を周期的に並べた構成とすることにより、周期とみなすことのできる複数の主軸(図の例では軸1〜3)を定めることができる。このため、それぞれの軸方向について異なる周期を割り当てることができる。これらの周期の各々を、複数の波長の光の指向性を高めるために設定してもよいし、励起光を効率よく吸収させるために設定してもよい。いずれの場合も、式(10)に相当する条件を満足するように各周期が設定される。   Furthermore, as a two-dimensional periodic structure having a plurality of periodic components, a configuration as shown in FIG. 18A or 18B may be adopted. A configuration in which a plurality of convex portions or concave portions having a hexagonal planar shape are periodically arranged as shown in FIG. 18A, or a plurality of convex portions or concave portions having a triangular planar shape as shown in FIG. 18B are periodically arranged. By arranging them in a line, a plurality of main axes (in the example of the figure, axes 1 to 3) that can be regarded as periods can be determined. For this reason, a different period can be assigned to each axial direction. Each of these periods may be set to increase the directivity of light having a plurality of wavelengths, or may be set to efficiently absorb the excitation light. In any case, each cycle is set so as to satisfy the condition corresponding to the equation (10).

[6−3.透明基板上の周期構造]
図19Aおよび図19Bに示すように、透明基板140上に周期構造120aを形成し、その上にフォトルミネッセンス層110を設けてもよい。図19Aの構成例では、基板140上の凹凸からなる周期構造120aに追従するようにフォトルミネッセンス層110が形成されている。その結果、フォトルミネッセンス層110の表面にも同じ周期の周期構造120bが形成されている。一方、図19Bの構成例では、フォトルミネッセンス層110の表面は平坦になるように処理されている。これらの構成例においても、周期構造120aの周期pを式(15)を満足するように設定することにより、指向性発光を実現できる。
[6-3. Periodic structure on transparent substrate]
As shown in FIGS. 19A and 19B, the periodic structure 120a may be formed on the transparent substrate 140, and the photoluminescence layer 110 may be provided thereon. In the configuration example of FIG. 19A, the photoluminescence layer 110 is formed so as to follow the periodic structure 120 a made of unevenness on the substrate 140. As a result, a periodic structure 120b having the same period is also formed on the surface of the photoluminescence layer 110. On the other hand, in the configuration example of FIG. 19B, the surface of the photoluminescence layer 110 is processed to be flat. Also in these configuration examples, directional light emission can be realized by setting the period p of the periodic structure 120a so as to satisfy Expression (15).

この効果を検証するため、図19Aの構成において、発光波長および周期構造の周期を変えて正面方向に出力する光の増強度を計算した。ここで、フォトルミネッセンス層110の膜厚を1000nm、フォトルミネッセンス層110の屈折率をnwav=1.8、周期構造120aはy方向に均一な1次元周期構造で高さを50nm、屈折率をnp=1.5、周期を400nmとし、光の偏光はy方向に平行な電場成分を有するTMモードであるものとした。本計算の結果を図19Cに示す。本計算においても、式(15)の条件を満足する周期で光強度のピークが観測された。 In order to verify this effect, in the configuration of FIG. 19A, the intensity of light output in the front direction was calculated by changing the emission wavelength and the period of the periodic structure. Here, the film thickness of the photoluminescence layer 110 is 1000 nm, the refractive index of the photoluminescence layer 110 is n wav = 1.8, the periodic structure 120a is a uniform one-dimensional periodic structure in the y direction, the height is 50 nm, and the refractive index is It was assumed that n p = 1.5, the period was 400 nm, and the polarization of light was a TM mode having an electric field component parallel to the y direction. The result of this calculation is shown in FIG. 19C. Also in this calculation, a peak of light intensity was observed at a period satisfying the condition of Expression (15).

[6−4.粉体]
以上の実施形態によれば、周期構造の周期や、フォトルミネッセンス層の膜厚を調整することで任意の波長の発光を強調することができる。例えば、広い帯域で発光するフォトルミネッセンス材料を用いて図1A、1Bのような構成にすれば、ある波長の光のみを強調することが可能である。よって、図1A、1Bのような発光素子100の構成を粉末状にして、蛍光材料として利用してもよい。また、図1A、1Bのような発光素子100を樹脂やガラスなどに埋め込んで利用してもよい。
[6-4. powder]
According to the above embodiment, light emission of an arbitrary wavelength can be emphasized by adjusting the period of the periodic structure and the film thickness of the photoluminescence layer. For example, if a photoluminescent material that emits light in a wide band is used as shown in FIGS. 1A and 1B, only light of a certain wavelength can be emphasized. Therefore, the structure of the light emitting element 100 as shown in FIGS. 1A and 1B may be powdered and used as a fluorescent material. 1A and 1B may be used by being embedded in a resin or glass.

図1A、1Bのような単体の構成では、ある特定の波長しか特定の方向に出射できないため、例えば広い波長域のスペクトルを持つ白色などの発光を実現することは難しい。そこで、図20に示すように周期構造の周期やフォトルミネッセンス層の膜厚などの条件の異なる複数の粉末状の発光素子100を混ぜたものを用いることにより、広い波長域のスペクトルを持つ発光装置を実現できる。この場合、個々の発光素子100の一方向のサイズは、例えば数μm〜数mm程度であり、その中に例えば数周期〜数百周期の1次元または2次元の周期構造を含み得る。   1A and 1B, since only a specific wavelength can be emitted in a specific direction, it is difficult to realize light emission such as white having a spectrum in a wide wavelength range. Therefore, as shown in FIG. 20, by using a mixture of a plurality of powdered light emitting elements 100 having different conditions such as the period of the periodic structure and the film thickness of the photoluminescence layer, a light emitting device having a spectrum in a wide wavelength range Can be realized. In this case, the size of each light emitting element 100 in one direction is, for example, about several μm to several mm, and may include, for example, a one-dimensional or two-dimensional periodic structure of several cycles to several hundred cycles.

[6−5.周期の異なる構造を配列]
図21は、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の周期構造を2次元に配列した例を示す平面図である。この例では、3種類の周期構造120a、120b、120cが隙間なく配列されている。周期構造120a、120b、120cは、例えば、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ正面に出射するように周期が設定されている。このように、フォトルミネッセンス層の上に周期の異なる複数の構造を並べることによっても広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。なお、複数の周期構造の構成は、上記のものに限定されず、任意に設定してよい。
[6-5. Arrange structures with different periods]
FIG. 21 is a plan view showing an example in which a plurality of periodic structures having different periods are two-dimensionally arranged on the photoluminescence layer. In this example, three types of periodic structures 120a, 120b, and 120c are arranged without a gap. For example, the periodic structures 120a, 120b, and 120c have a period set so as to emit light in the red, green, and blue wavelength ranges to the front. Thus, directivity can be exhibited with respect to a spectrum in a wide wavelength region by arranging a plurality of structures with different periods on the photoluminescence layer. The configuration of the plurality of periodic structures is not limited to the above, and may be set arbitrarily.

[6−6.積層構造]
図22は、表面に凹凸構造が形成された複数のフォトルミネッセンス層110が積層された構造を有する発光素子の一例を示している。複数のフォトルミネッセンス層110の間には、透明基板140が設けられ、各層のフォトルミネッセンス層110の表面に形成された凹凸構造が上記の周期構造またはサブミクロン構造に相当する。図22に示す例では、3層の周期の異なる周期構造が形成されており、それぞれ、赤、青、緑の波長域の光を正面に出射するように周期が設定されている。また、各周期構造の周期に対応する色の光を発するように各層のフォトルミネッセンス層110の材料が選択されている。このように、周期の異なる複数の周期構造を積層することによっても、広い波長域のスペクトルに対し指向性を発揮させることができる。
[6-6. Laminated structure]
FIG. 22 illustrates an example of a light-emitting element having a structure in which a plurality of photoluminescence layers 110 having an uneven structure formed on the surface are stacked. A transparent substrate 140 is provided between the plurality of photoluminescence layers 110, and the concavo-convex structure formed on the surface of the photoluminescence layer 110 of each layer corresponds to the periodic structure or the submicron structure. In the example shown in FIG. 22, the three-layer periodic structures having different periods are formed, and the periods are set so as to emit light in the red, blue, and green wavelength ranges to the front. Further, the material of the photoluminescence layer 110 of each layer is selected so as to emit light of a color corresponding to the period of each periodic structure. In this way, directivity can be exhibited with respect to a spectrum in a wide wavelength range by laminating a plurality of periodic structures having different periods.

なお、層数や各層のフォトルミネッセンス層110および周期構造の構成は上記のものに限定されず、任意に設定してよい。例えば2層の構成では、透光性の基板を介して第1のフォトルミネッセンス層と第2のフォトルミネッセンス層とが対向するように形成され、第1および第2のフォトルミネッセンス層の表面に、それぞれ第1および第2の周期構造が形成されることになる。この場合、第1のフォトルミネッセンス層および第1の周期構造の対と、第2のフォトルミネッセンス層および第2の周期構造の対のそれぞれについて、式(15)に相当する条件を満足していればよい。3層以上の構成においても同様に、各層におけるフォトルミネッセンス層および周期構造について、式(15)に相当する条件を満足していればよい。フォトルミネッセンス層と周期構造との位置関係が図22に示すものとは逆転していてもよい。図22に示す例では、各層の周期が異なっているが、これらを全て同じ周期にしてもよい。その場合、スペクトルを広くすることはできないが、発光強度を大きくすることができる。   Note that the number of layers, the structure of the photoluminescence layer 110 of each layer, and the periodic structure are not limited to those described above, and may be arbitrarily set. For example, in the structure of two layers, the first photoluminescence layer and the second photoluminescence layer are formed so as to face each other through the light-transmitting substrate, and the surface of the first and second photoluminescence layers is formed on the surface. The first and second periodic structures will be formed respectively. In this case, for each of the first photoluminescence layer and the first periodic structure pair and the second photoluminescence layer and the second periodic structure pair, the condition corresponding to the equation (15) may be satisfied. That's fine. Similarly, in the configuration of three or more layers, the condition corresponding to the formula (15) may be satisfied for the photoluminescence layer and the periodic structure in each layer. The positional relationship between the photoluminescence layer and the periodic structure may be reversed from that shown in FIG. In the example shown in FIG. 22, the period of each layer is different, but they may all be the same period. In that case, the spectrum cannot be widened, but the emission intensity can be increased.

[6−7.保護層を有する構成]
図23は、フォトルミネッセンス層110と周期構造120との間に保護層150を設けた構成例を示す断面図である。このように、フォトルミネッセンス層110を保護するための保護層150を設けても良い。ただし、保護層150の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い場合は、保護層150の内部に波長の半分程度しか光の電場が染み出さない。よって、保護層150が波長よりも厚い場合には、周期構造120に光が届かない。このため、擬似導波モードが存在せず、光を特定方向に放出する機能を得ることができない。保護層150の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率と同程度あるいはそれ以上の場合には、保護層150の内部にまで光が到達する。よって、保護層150に厚さの制約は無い。ただし、その場合でも、光が導波する部分(以下、この部分を「導波層」と呼ぶ。)の大部分をフォトルミネッセンス材料で形成したほうが大きな光の出力が得られる。よって、この場合でも保護層150は薄いほうが望ましい。なお、保護層150を周期構造(透光層)120と同じ材料を用いて形成してもよい。このとき、周期構造を有する透光層が保護層を兼ねる。透光層120の屈折率はフォトルミネッセンス層110よりも小さいことが望ましい。
[6-7. Configuration with protective layer]
FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a configuration example in which a protective layer 150 is provided between the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120. As described above, the protective layer 150 for protecting the photoluminescence layer 110 may be provided. However, when the refractive index of the protective layer 150 is lower than the refractive index of the photoluminescence layer 110, an electric field of light oozes out only about half the wavelength inside the protective layer 150. Therefore, when the protective layer 150 is thicker than the wavelength, light does not reach the periodic structure 120. For this reason, there is no pseudo waveguide mode, and a function of emitting light in a specific direction cannot be obtained. When the refractive index of the protective layer 150 is about the same as or higher than the refractive index of the photoluminescence layer 110, the light reaches the inside of the protective layer 150. Therefore, there is no restriction on the thickness of the protective layer 150. However, even in that case, a larger light output can be obtained by forming most of a portion where light is guided (hereinafter, this portion is referred to as a “waveguide layer”) from a photoluminescent material. Therefore, it is desirable that the protective layer 150 is thin even in this case. Note that the protective layer 150 may be formed using the same material as the periodic structure (translucent layer) 120. At this time, the light-transmitting layer having a periodic structure also serves as a protective layer. The refractive index of the light transmitting layer 120 is preferably smaller than that of the photoluminescent layer 110.

[7.材料]
以上のような条件を満たす材料でフォトルミネッセンス層(あるいは導波層)および周期構造を構成すれば、指向性発光を実現できる。周期構造には任意の材料を用いることができる。しかしながら、フォトルミネッセンス層(あるいは導波層)や周期構造を形成する媒質の光吸収性が高いと、光を閉じ込める効果が低下し、ピーク強度およびQ値が低下する。よって、フォトルミネッセンス層(あるいは導波層)および周期構造を形成する媒質として、光吸収性の比較的低いものが用いられ得る。
[7. material]
If the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure are made of a material that satisfies the above conditions, directional light emission can be realized. Any material can be used for the periodic structure. However, if the light absorptivity of the medium forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) or the periodic structure is high, the effect of confining light is reduced, and the peak intensity and the Q value are reduced. Therefore, a medium having a relatively low light absorption can be used as a medium for forming the photoluminescence layer (or waveguide layer) and the periodic structure.

周期構造の材料としては、例えば、光吸収性の低い誘電体が使用され得る。周期構造の材料の候補としては、例えば、MgF2(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂、MgO(酸化マグネシウム)、ITO(酸化インジウム錫)、TiO2(酸化チタン)、SiN(窒化シリコン)、Ta25(五酸化タンタル)、ZrO2(ジルコニア)、ZnSe(セレン化亜鉛)、ZnS(硫化亜鉛)などが挙げられる。ただし、前述のとおり周期構造の屈折率をフォトルミネッセンス層の屈折率よりも低くする場合、屈折率が1.3〜1.5程度であるMgF2、LiF、CaF2、SiO2、ガラス、樹脂を用いることができる。 As the material of the periodic structure, for example, a dielectric having low light absorption can be used. Examples of the material of the periodic structure include, for example, MgF 2 (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, resin, MgO (magnesium oxide), ITO (indium tin oxide), TiO 2 (titanium oxide), SiN (silicon nitride), Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide), ZrO 2 (zirconia), ZnSe (zinc selenide), ZnS (zinc sulfide), etc. Can be mentioned. However, as described above, when the refractive index of the periodic structure is made lower than the refractive index of the photoluminescence layer, MgF 2 , LiF, CaF 2 , SiO 2 , glass, resin having a refractive index of about 1.3 to 1.5. Can be used.

フォトルミネッセンス材料は、狭義の蛍光材料および燐光材料を包含し、無機材料だけなく、有機材料(例えば色素)を包含し、さらには、量子ドット(即ち、半導体微粒子)を包含する。一般に、無機材料をホストとする蛍光材料は屈折率が高い傾向にある。青色に発光する蛍光材料としては、例えば、M10(PO46Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、BaMgAl1017:Eu2+、M3MgSi28:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M5SiO4Cl6:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。緑色に発光する蛍光材料としては、例えば、M2MgSi27:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、SrSi5AlO27:Eu2+、SrSi222:Eu2+、BaAl24:Eu2+、BaZrSi39:Eu2+、M2SiO4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、BaSi342:Eu2+Ca8Mg(SiO44Cl2:Eu2+、Ca3SiO4Cl2:Eu2+、CaSi12-(m+n)Al(m+n)n16-n:Ce3+、β−SiAlON:Eu2+を用いることができる。赤色に発光する蛍光材料としては、例えば、CaAlSiN3:Eu2+、SrAlSi47:Eu2+、M2Si58:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSiN2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、MSi222:Yb2+(M=SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、Y22S:Eu3+,Sm3+、La22S:Eu3+,Sm3+、CaWO4:Li1+,Eu3+,Sm3+、M2SiS4:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M3SiO5:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。黄色に発光する蛍光材料としては、例えば、Y3Al512:Ce3+、CaSi222:Eu2+、Ca3Sc2Si312:Ce3+、CaSc24:Ce3+、α−SiAlON:Eu2+、MSi222:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)、M7(SiO36Cl2:Eu2+(M=Ba,SrおよびCaから選ばれる少なくとも1種)を用いることができる。 The photoluminescent material includes a fluorescent material and a phosphorescent material in a narrow sense, includes not only an inorganic material but also an organic material (for example, a dye), and further includes a quantum dot (that is, a semiconductor fine particle). In general, a fluorescent material having an inorganic material as a host tends to have a high refractive index. Examples of fluorescent materials that emit blue light include M 10 (PO 4 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca), BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ , M 3 MgSi 2 O 8 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), M 5 SiO 4 Cl 6 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) Can be used. Examples of fluorescent materials that emit green light include M 2 MgSi 2 O 7 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca), SrSi 5 AlO 2 N 7 : Eu 2+ , SrSi 2. O 2 N 2 : Eu 2+ , BaAl 2 O 4 : Eu 2+ , BaZrSi 3 O 9 : Eu 2+ , M 2 SiO 4 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca) BaSi 3 O 4 N 2 : Eu 2+ Ca 8 Mg (SiO 4 ) 4 Cl 2 : Eu 2+ , Ca 3 SiO 4 Cl 2 : Eu 2+ , CaSi 12-(m + n) Al (m + n ) ) O n n 16-n: Ce 3+, β-SiAlON: Eu 2+ can be used. Examples of the fluorescent material emitting red light include CaAlSiN 3 : Eu 2+ , SrAlSi 4 O 7 : Eu 2+ , M 2 Si 5 N 8 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca). Species), MSiN 2 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), MSi 2 O 2 N 2 : Yb 2+ (at least one selected from M = Sr and Ca), Y 2 O 2 S: Eu 3+ , Sm 3+ , La 2 O 2 S: Eu 3+ , Sm 3+ , CaWO 4 : Li 1+ , Eu 3+ , Sm 3+ , M 2 SiS 4 : Eu 2+ (M = SiO, at least one selected from Ba, Sr and Ca), M 3 SiO 5 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca) can be used. Examples of fluorescent materials that emit yellow light include Y 3 Al 5 O 12 : Ce 3+ , CaSi 2 O 2 N 2 : Eu 2+ , Ca 3 Sc 2 Si 3 O 12 : Ce 3+ , and CaSc 2 O 4. : Ce 3+ , α-SiAlON: Eu 2+ , MSi 2 O 2 N 2 : Eu 2+ (at least one selected from M = Ba, Sr and Ca), M 7 (SiO 3 ) 6 Cl 2 : Eu 2+ (M = at least one selected from Ba, Sr and Ca) can be used.

量子ドットについては、例えば、CdS、CdSe、コア・シェル型CdSe/ZnS、合金型CdSSe/ZnSなどの材料を用いることができ、材質によって様々な発光波長を得ることができる。量子ドットのマトリクスとしては、例えば、ガラスや樹脂を用いることができる。   For the quantum dots, for example, materials such as CdS, CdSe, core / shell CdSe / ZnS, and alloy type CdSSe / ZnS can be used, and various emission wavelengths can be obtained depending on the material. As the matrix of quantum dots, for example, glass or resin can be used.

図1C、1Dなどに示す透明基板140は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い透光性材料によって構成される。そのような材料として、例えば、MgF2(フッ化マグネシウム)、LiF(フッ化リチウム)、CaF2(フッ化カルシウム)、SiO2(石英)、ガラス、樹脂が挙げられる。なお、基板140を介さずにフォトルミネッセンス層110に励起光を入射させるような構成においては、基板140が透明であることは必須ではない。 The transparent substrate 140 shown in FIGS. 1C, 1D, and the like is made of a light-transmitting material having a refractive index lower than that of the photoluminescence layer 110. Examples of such a material include MgF 2 (magnesium fluoride), LiF (lithium fluoride), CaF 2 (calcium fluoride), SiO 2 (quartz), glass, and resin. Note that it is not essential for the substrate 140 to be transparent in a configuration in which excitation light is incident on the photoluminescence layer 110 without passing through the substrate 140.

[8.製造方法の概略]
続いて、製造方法の一例を説明する。
[8. Outline of manufacturing method]
Then, an example of a manufacturing method is demonstrated.

図1C、1Dに示す構成を実現する方法として、例えば、透明基板140上に蛍光材料を蒸着、スパッタリング、塗布などの工程によってフォトルミネッセンス層110の薄膜を形成し、その後、誘電体を成膜し、フォトリソグラフィなどの方法によってパターニングすることによって周期構造120を形成する方法がある。上記方法の代わりに、ナノインプリントによって周期構造120を形成してもよい。また、図24に示すように、フォトルミネッセンス層110の一部のみを加工することによって周期構造120を形成してもよい。その場合、周期構造120はフォトルミネッセンス層110と同じ材料で形成されることになる。   As a method of realizing the configuration shown in FIGS. 1C and 1D, for example, a thin film of the photoluminescence layer 110 is formed on the transparent substrate 140 by a process such as vapor deposition, sputtering, and coating, and then a dielectric is formed. There is a method of forming the periodic structure 120 by patterning by a method such as photolithography. Instead of the above method, the periodic structure 120 may be formed by nanoimprinting. Further, as shown in FIG. 24, the periodic structure 120 may be formed by processing only a part of the photoluminescence layer 110. In that case, the periodic structure 120 is formed of the same material as the photoluminescence layer 110.

図1A、1Bに示す発光素子100は、例えば、図1C、1Dに示す発光素子100aを作製した後、基板140からフォトルミネッセンス層110および周期構造120の部分を剥がす工程を行うことで実現可能である。   The light-emitting element 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B can be realized by, for example, manufacturing the light-emitting element 100a illustrated in FIGS. 1C and 1D and then performing a process of removing the portions of the photoluminescence layer 110 and the periodic structure 120 from the substrate 140. is there.

図19Aに示す構成は、例えば、透明基板140上に半導体プロセスやナノインプリントなどの方法で周期構造120aを形成した後、その上にフォトルミネッセンス層110を構成する材料を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成することによって実現可能である。あるいは、塗布などの方法を用いて周期構造120aの凹部をフォトルミネッセンス層110で埋め込むことによって図19Bに示す構成を実現することもできる。   In the configuration shown in FIG. 19A, for example, after the periodic structure 120a is formed on the transparent substrate 140 by a method such as a semiconductor process or nanoimprint, the material constituting the photoluminescence layer 110 is formed thereon by a method such as vapor deposition or sputtering. This is possible by doing. Alternatively, the structure shown in FIG. 19B can be realized by embedding the concave portion of the periodic structure 120a with the photoluminescence layer 110 using a method such as coating.

なお、上記の製造方法は一例であり、本開示の発光素子は上記の製造方法に限定されない。   In addition, said manufacturing method is an example and the light emitting element of this indication is not limited to said manufacturing method.

[9.実験例]
以下に、本開示の実施形態による発光素子を作製した例を説明する。
[9. Experimental example]
Hereinafter, an example in which a light emitting device according to an embodiment of the present disclosure is manufactured will be described.

図19Aと同様の構成を有する発光素子のサンプルを試作し、特性を評価した。発光素子は以下の様にして作製した。   A sample of a light-emitting element having the same structure as that in FIG. 19A was prototyped, and the characteristics were evaluated. The light emitting element was manufactured as follows.

ガラス基板に、周期400nm、高さ40nmの1次元周期構造(ストライプ状の凸部)を設け、その上からフォトルミネッセンス材料であるYAG:Ceを210nm成膜した。この断面図のTEM像を図25に示し、これを450nmのLEDで励起することでYAG:Ceを発光させたときの、正面方向のスペクトルを測定した結果を図26に示す。図26には、周期構造がない場合の測定結果(ref)と、1次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つTMモードと、垂直な偏光成分を持つTEモードを測定した結果について示した。周期構造がある場合は、周期構造がない場合に対して、特定の波長の光が著しく増加していることが見て取れる。また、1次元周期構造に対して平行な偏光成分を持つTMモードの方が、光の増強効果が大きいことが分かる。   A glass substrate was provided with a one-dimensional periodic structure (stripe-shaped convex portion) having a period of 400 nm and a height of 40 nm, and YAG: Ce, which is a photoluminescence material, was formed to a thickness of 210 nm thereon. FIG. 25 shows a TEM image of this cross-sectional view, and FIG. 26 shows the result of measuring the spectrum in the front direction when YAG: Ce is emitted by exciting it with a 450 nm LED. FIG. 26 shows measurement results (ref) in the absence of a periodic structure, results of measuring a TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure, and a TE mode having a perpendicular polarization component. . In the case where there is a periodic structure, it can be seen that the light of a specific wavelength is remarkably increased compared to the case where there is no periodic structure. It can also be seen that the TM mode having a polarization component parallel to the one-dimensional periodic structure has a larger light enhancement effect.

さらに、同じサンプルにおいて、出射光強度の角度依存性を測定した結果および計算結果を図27A〜27Fおよび図28A〜28Fに示す。図27Aは、TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図27Bおよび図27Cは、このように回転させた場合についての測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図27Dは、TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と平行な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図27Eおよび図27Fは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。図28Aは、TEモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向に垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図28Bおよび図28Cは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。一方、図28Dは、TMモードの直線偏光を出射する発光素子を、1次元周期構造120のライン方向と垂直な軸を回転軸として回転させている状況を示している。図28Eおよび図28Fは、この場合の測定結果および計算結果をそれぞれ示している。   Furthermore, in the same sample, the results of measuring the angle dependency of the emitted light intensity and the calculation results are shown in FIGS. 27A to 27F and FIGS. 28A to 28F. FIG. 27A shows a state in which a light emitting element that emits TM mode linearly polarized light is rotated about an axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. FIG. 27B and FIG. 27C respectively show the measurement results and calculation results for the case of rotating in this way. On the other hand, FIG. 27D shows a situation in which the light emitting element that emits TE mode linearly polarized light is rotated about an axis parallel to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. FIG. 27E and FIG. 27F show the measurement result and the calculation result in this case, respectively. FIG. 28A shows a state in which a light emitting element that emits TE mode linearly polarized light is rotated about an axis perpendicular to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as a rotation axis. FIG. 28B and FIG. 28C show measurement results and calculation results in this case, respectively. On the other hand, FIG. 28D shows a situation where the light emitting element that emits TM mode linearly polarized light is rotated about the axis perpendicular to the line direction of the one-dimensional periodic structure 120 as the rotation axis. FIG. 28E and FIG. 28F show the measurement result and the calculation result in this case, respectively.

図27A〜27Fおよび図28A〜28Fから明らかなように、TMモードの方が増強される効果が高い。また、増強される光の波長は角度によってシフトすることがわかる。例えば、波長610nmの光については、TMモードでかつ正面方向にしか光が存在しないため、指向性が高くかつ偏光発光していることがわかる。また、図27Bと図27C、図27Eと図27F、図28Bと図28C、図28Eと図28Fのそれぞれの測定結果と計算結果とが整合していることから、上述の計算の妥当性が実験によって裏付けられた。   As is clear from FIGS. 27A to 27F and FIGS. 28A to 28F, the TM mode has a higher effect of enhancement. It can also be seen that the wavelength of the enhanced light shifts with angle. For example, it can be seen that light having a wavelength of 610 nm has a high directivity and emits polarized light because the light exists only in the TM mode and in the front direction. 27B and 27C, FIG. 27E and FIG. 27F, FIG. 28B and FIG. 28C, and FIG. 28E and FIG. Supported by.

図29は、波長610nmの光について、図28Dに示すように、ライン方向に対して垂直な方向を回転軸として回転させた場合の強度の角度依存性を示している。正面方向に強い発光増強が起きており、そのほかの角度に対しては、ほとんど光が増強されていない様子がみてとれる。正面方向に出射される光の指向角は15°未満であることがわかる。なお、指向角は、前述のように、強度が最大強度の50%となる角度であり、最大強度の方向を中心に片側の角度で表す。図29に示す結果から、指向性発光が実現していることがわかる。さらに、出射される光は全てTMモードの成分であるため、同時に偏光発光も実現していることがわかる。   FIG. 29 shows the angle dependence of the intensity when light having a wavelength of 610 nm is rotated about a direction perpendicular to the line direction as the rotation axis, as shown in FIG. 28D. There is a strong light emission enhancement in the front direction, and it can be seen that the light is hardly enhanced at other angles. It can be seen that the directivity angle of the light emitted in the front direction is less than 15 °. As described above, the directivity angle is an angle at which the intensity is 50% of the maximum intensity, and is represented by an angle on one side with respect to the direction of the maximum intensity. From the results shown in FIG. 29, it can be seen that directional light emission is realized. Furthermore, since all the emitted light is a TM mode component, it can be seen that polarized light emission is realized at the same time.

以上の検証のための実験は、広帯域の波長帯で発光するYAG:Ceを使って行った。狭帯域の光を発するフォトルミネッセンス材料を用いて同様の構成で実験を行ったとしても、その波長の光に対して高い指向性および偏光発光を実現することができる。さらに、そのようなフォトルミネッセンス材料を用いた場合、他の波長の光は発生しないために他の方向や他の偏光状態の光は発生しない光源を実現することができる。   The verification experiment described above was performed using YAG: Ce that emits light in a wide wavelength band. Even if an experiment is performed with a similar configuration using a photoluminescent material that emits light in a narrow band, high directivity and polarized light emission can be realized for light of that wavelength. Further, when such a photoluminescent material is used, a light source that does not generate light in other directions and in other polarization states can be realized because light of other wavelengths is not generated.

[10.他の変形例]
次に、本開示の発光素子および発光装置の他の変形例を説明する。
[10. Other variations]
Next, another modified example of the light emitting element and the light emitting device of the present disclosure will be described.

上述したように、本開示の発光素子が有するサブミクロン構造によって、発光増強効果を受ける光の波長および出射方向は、サブミクロン構造の構成に依存する。図31に示す、フォトルミネッセンス層110上に周期構造120を有する発光素子を考える。ここでは、周期構造120はフォトルミネッセンス層110と同じ材料で形成されており、図1Aに示した1次元周期構造120を有する場合を例示する。1次元周期構造120によって発光増強を受ける光は、1次元周期構造120の周期p(nm)、フォトルミネッセンス層110の屈折率nwav、光が出射される外部の媒質の屈折率noutとし、1次元周期構造120への入射角をθwav、1次元周期構造120から外部の媒質への出射角をθoutとすると、p×nwav×sinθwav−p×nout×sinθout=mλの関係を満足する(上記の式(5)参照)。ここで、λは空気中における光の波長であり、mは整数である。 As described above, the wavelength and emission direction of light subjected to the light emission enhancement effect by the submicron structure of the light emitting element of the present disclosure depend on the configuration of the submicron structure. Consider a light-emitting element having a periodic structure 120 on a photoluminescence layer 110 shown in FIG. Here, the periodic structure 120 is formed of the same material as that of the photoluminescence layer 110, and the case where the periodic structure 120 includes the one-dimensional periodic structure 120 illustrated in FIG. 1A is illustrated. The light receiving the emission enhancement by the one-dimensional periodic structure 120 is defined as a period p (nm) of the one-dimensional periodic structure 120, a refractive index n wav of the photoluminescence layer 110, and a refractive index n out of an external medium from which the light is emitted, When the incident angle to the one-dimensional periodic structure 120 is θ wav and the exit angle from the one-dimensional periodic structure 120 to the external medium is θ out , p × n wav × sin θ wav −p × n out × sin θ out = mλ The relationship is satisfied (see the above formula (5)). Here, λ is the wavelength of light in the air, and m is an integer.

上記式から、θout=arcsin[(nwav×sinθwav−mλ/p)/nout]が得られる。したがって、一般に、波長λが異なると、発光増強を受けた光の出射角θoutが異なる。その結果、図31に模式的に示すように、観察する方向によって、見える光の色が異なる。 From the above equation, θ out = arcsin [(n wav × sin θ wav −mλ / p) / n out ] is obtained. Therefore, in general, when the wavelength λ is different, the emission angle θ out of the light subjected to the emission enhancement is different. As a result, as schematically shown in FIG. 31, the color of the visible light differs depending on the direction of observation.

この視角依存性を低減させるためには、(nwav×sinθwav−mλ/p)/noutが、波長λによらず一定となるように、nwavおよびnoutを選べばよい。物質の屈折率は、波長分散(波長依存性)を有しているので、(nwav×sinθwav−mλ/p)/noutが波長λに依存しないような、nwavおよびnoutの波長分散性を有する材料を選択すればよい。例えば、外部の媒質が空気の場合、noutは、波長によらずほぼ1.0なので、フォトルミネッセンス層110および1次元周期構造120を形成する材料として、屈折率nwavの波長分散が小さい材料を選択することが望ましい。さらに、屈折率nwavがより短い波長の光に対して屈折率が低くなるような逆分散の材料のほうが望ましい。 In order to reduce the viewing angle dependency, n wav and n out may be selected so that (n wav × sin θ wav −mλ / p) / n out is constant regardless of the wavelength λ. Since the refractive index of the material has wavelength dispersion (wavelength dependence), the wavelength of n wav and n out such that (n wav × sin θ wav −mλ / p) / n out does not depend on the wavelength λ. A material having dispersibility may be selected. For example, when the external medium is air, n out is approximately 1.0 regardless of the wavelength. Therefore, as a material for forming the photoluminescence layer 110 and the one-dimensional periodic structure 120, a material having a small wavelength dispersion of the refractive index n wav is used. It is desirable to select. Furthermore, a reverse dispersion material is preferable in which the refractive index is low for light having a shorter refractive index n wav .

また、図32Aに示すように、互いに発光増強効果を示す波長が異なる複数の周期構造を配列することによって、白色光を出射できるようにできる。図32Aに示す例では、赤色光(R)を増強できる周期構造120rと、緑色光(G)を増強できる周期構造120gと、青色光(B)を増強できる周期構造120bとがマトリクス状に配列されている。周期構造120r、120gおよび120bは、例えば、1次元周期構造で、それぞれの凸部は互いに平行に配列されている。したがって、偏光特性は、赤、緑、青の全ての色の光について同じである。周期構造120r、120gおよび120bによって、発光増強を受けた三原色の光が出射され、混色される結果、白色光、かつ、直線偏光が得られる。   Also, as shown in FIG. 32A, white light can be emitted by arranging a plurality of periodic structures having different wavelengths that exhibit a light emission enhancement effect. In the example shown in FIG. 32A, a periodic structure 120r that can enhance red light (R), a periodic structure 120g that can enhance green light (G), and a periodic structure 120b that can enhance blue light (B) are arranged in a matrix. Has been. The periodic structures 120r, 120g, and 120b are, for example, one-dimensional periodic structures, and the convex portions are arranged in parallel to each other. Therefore, the polarization characteristics are the same for all colors of red, green, and blue. By the periodic structures 120r, 120g, and 120b, the light of the three primary colors that has received light emission enhancement is emitted and mixed, resulting in white light and linearly polarized light.

マトリクス状に配列された各周期構造120r、120gおよび120bを単位周期構造(または画素)と呼ぶと、単位周期構造の大きさ(即ち、一辺の長さ)は、例えば、周期の3倍以上である。また、混色の効果を得るためには人間の目で単位周期構造が認識されない方が望ましく、例えば、一辺の長さは1mmよりも小さいことが望ましい。ここでは、各単位周期構造を正方形に描いているが、これに限られず、例えば、互いに隣接する周期構造120r、120gおよび120bが長方形、三角形、六角形などの正方形以外の形状でもよい。   When the periodic structures 120r, 120g, and 120b arranged in a matrix are called unit periodic structures (or pixels), the size of the unit periodic structure (that is, the length of one side) is, for example, three times or more of the period. is there. In order to obtain a mixed color effect, it is desirable that the unit periodic structure is not recognized by the human eye. For example, the length of one side is preferably smaller than 1 mm. Here, although each unit periodic structure is drawn in the square, it is not restricted to this, For example, the periodic structures 120r, 120g, and 120b which adjoin each other may be shapes other than squares, such as a rectangle, a triangle, and a hexagon.

また、周期構造120r、120gおよび120bの下に設けられているフォトルミネッセンス層は、周期構造120r、120gおよび120bに共通であってもよいし、それぞれの色の光に対応して異なるフォトルミネッセンス材料を有するフォトルミネッセンス層を設けてもよい。   In addition, the photoluminescence layer provided under the periodic structures 120r, 120g, and 120b may be common to the periodic structures 120r, 120g, and 120b, or different photoluminescence materials corresponding to light of the respective colors. A photoluminescence layer may be provided.

図32Bに示すように、1次元周期構造の凸部が延びる方位が異なる複数の周期構造(周期構造120h、120iおよび120jを含む)を配列してもよい。複数の周期構造が発光増強する光の波長は、同じでもよいし、異なっていてもよい。例えば、同じ周期構造を図32Bのように配列すると、偏光していない光を得ることができる。また、図32Aにおける周期構造120r、120gおよび120bのそれぞれについて、図32Bの配列を適用すると、全体として、非偏光の白色光を得ることができる。   As shown in FIG. 32B, a plurality of periodic structures (including periodic structures 120h, 120i, and 120j) having different orientations in which the convex portions of the one-dimensional periodic structure extend may be arranged. The wavelengths of light with which a plurality of periodic structures enhance light emission may be the same or different. For example, when the same periodic structure is arranged as shown in FIG. 32B, unpolarized light can be obtained. Further, when the arrangement of FIG. 32B is applied to each of the periodic structures 120r, 120g, and 120b in FIG. 32A, unpolarized white light can be obtained as a whole.

もちろん、周期構造は、1次元周期構造に限らず、図32Cに示すように、複数の2次元周期構造(周期構造120k、120mおよび120nを含む)を配列してもよい。このとき、周期構造120k、120mおよび120nの周期や方位は、上述したように、同じでもよいし、異なってもよく、必要に応じて適宜設定され得る。   Of course, the periodic structure is not limited to a one-dimensional periodic structure, and a plurality of two-dimensional periodic structures (including periodic structures 120k, 120m, and 120n) may be arranged as shown in FIG. 32C. At this time, as described above, the periods and orientations of the periodic structures 120k, 120m, and 120n may be the same as or different from each other, and may be set as necessary.

図33に示すように、例えば、発光素子の光の出射側にマイクロレンズ130のアレイを配置してもよい。マイクロレンズ130のアレイにより、斜め方向に出射される光を法線方向に曲げることによって、混色の効果を得ることができる。   As shown in FIG. 33, for example, an array of microlenses 130 may be arranged on the light emission side of the light emitting element. By using the array of microlenses 130 to bend light emitted in an oblique direction in the normal direction, a color mixing effect can be obtained.

図33に示した発光素子は、図32Aにおける周期構造120r、120gおよび120bをそれぞれ有する領域R1、R2およびR3を有する。領域R1においては、周期構造120rによって、赤色光Rが法線方向に出射され、例えば緑色光Gは斜め方向に出射される。マイクロレンズ130の屈折作用によって、斜め方向に出射された緑色光Gは法線方向に曲げられる。その結果、法線方向においては、赤色光Rと緑色光Gとが混色されて観察される。このように、マイクロレンズ130を設けることによって、出射される光の波長が角度によって異なるという現象が抑制される。ここでは、複数の周期構造に対応する複数のマイクロレンズを一体化したマイクロレンズアレイを例示しているが、これに限られない。もちろん、タイリングする周期構造は上記の例に限られず、同じ周期構造をタイリングした場合にも適用できるし、図32Bまたは図32Cに示した構成にも適用できる。   The light-emitting element shown in FIG. 33 has regions R1, R2, and R3 having the periodic structures 120r, 120g, and 120b in FIG. 32A, respectively. In the region R1, the red light R is emitted in the normal direction by the periodic structure 120r, for example, the green light G is emitted in an oblique direction. The green light G emitted in the oblique direction is bent in the normal direction by the refraction action of the microlens 130. As a result, in the normal direction, the red light R and the green light G are mixed and observed. Thus, by providing the microlens 130, the phenomenon that the wavelength of the emitted light differs depending on the angle is suppressed. Here, a microlens array in which a plurality of microlenses corresponding to a plurality of periodic structures are integrated is illustrated, but the present invention is not limited to this. Of course, the periodic structure to be tiled is not limited to the above example, and can be applied to the case where the same periodic structure is tiled, and can also be applied to the configuration shown in FIG. 32B or 32C.

斜め方向に出射される光を曲げる作用を有する光学素子は、マイクロレンズアレイに代えてレンチキュラーレンズであってもよい。また、レンズだけでなく、プリズムを用いることもできる。プリズムのアレイを用いてもよい。周期構造に対応して個々にプリズムを配置してもよい。プリズムの形状は、特に制限されない。例えば、三角プリズムまたはピラミッド型プリズムを用いることができる。   The optical element having an action of bending light emitted in an oblique direction may be a lenticular lens instead of the microlens array. In addition to a lens, a prism can also be used. An array of prisms may be used. You may arrange | position a prism separately corresponding to a periodic structure. The shape of the prism is not particularly limited. For example, a triangular prism or a pyramid prism can be used.

白色光(あるいは、広いスペクトル幅を有する光)を得る方法は、上述の周期構造によるものの他、例えば、図34Aおよび図34Bに示すように、フォトルミネッセンス層によるものもある。図34Aに示すように、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス層110b、110g、110rを積層することによって、白色光を得ることができる。積層順は図示の例に限らない。また、図34Bに示すように、青色の光を発するフォトルミネッセンス層110bの上に、黄色の光を発するフォトルミネッセンス層110yを積層してもよい。フォトルミネッセンス層110yは、例えばYAGを用いて形成することができる。   A method for obtaining white light (or light having a wide spectral width) is not only based on the above-described periodic structure but also based on a photoluminescence layer as shown in FIGS. 34A and 34B, for example. As shown in FIG. 34A, white light can be obtained by stacking a plurality of photoluminescence layers 110b, 110g, and 110r having different emission wavelengths. The stacking order is not limited to the illustrated example. As shown in FIG. 34B, a photoluminescence layer 110y that emits yellow light may be stacked on the photoluminescence layer 110b that emits blue light. The photoluminescence layer 110y can be formed using, for example, YAG.

この他、蛍光色素などマトリクス(ホスト)材料に混合して用いられるフォトルミネッセンス材料を用いる場合には、発光波長が異なる複数のフォトルミネッセンス材料をマトリクス材料に混合し、単一のフォトルミネッセンス層で、白色光を発光するようにできる。この様な白色光を発光できるフォトルミネッセンス層は、図32A〜図32Cを参照して説明した、単位周期構造をタイリングした構成に用いることができる。   In addition, when using a photoluminescent material that is mixed with a matrix (host) material such as a fluorescent dye, a plurality of photoluminescent materials having different emission wavelengths are mixed with the matrix material, and a single photoluminescent layer is used. White light can be emitted. Such a photoluminescence layer capable of emitting white light can be used in the configuration in which the unit periodic structure is tiled as described with reference to FIGS. 32A to 32C.

フォトルミネッセンス層110を形成する材料として、無機材料(例えばYAG)を用いる場合、その製造過程で、1000℃を超える熱処理を経ることがある。その際、下地(典型的には、基板)から不純物が拡散し、フォトルミネッセンス層110の発光特性を低下させることがある。不純物がフォトルミネッセンス層に拡散するのを防止するために、例えば図35A〜35Dに示すように、フォトルミネッセンス層の下に、拡散防止層(バリア層)108を設けてもよい。図35A〜35Dに示すように、拡散防止層108は、これまで例示した種々の構成において、フォトルミネッセンス層110の下層に形成される。   When an inorganic material (for example, YAG) is used as a material for forming the photoluminescence layer 110, heat treatment exceeding 1000 ° C. may be performed in the manufacturing process. At that time, impurities may diffuse from the base (typically the substrate), and the light emission characteristics of the photoluminescence layer 110 may be deteriorated. In order to prevent impurities from diffusing into the photoluminescence layer, for example, as shown in FIGS. 35A to 35D, a diffusion prevention layer (barrier layer) 108 may be provided under the photoluminescence layer. As shown in FIGS. 35A to 35D, the diffusion prevention layer 108 is formed under the photoluminescence layer 110 in various configurations exemplified so far.

例えば、図35Aに示すように、基板140とフォトルミネッセンス層110との間に拡散防止層108が形成される。また、図35Bに示すように、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび110bを有する場合には、フォトルミネッセンス層110aおよび110bのそれぞれの下層に拡散防止層108aまたは108bが形成される。   For example, as illustrated in FIG. 35A, the diffusion prevention layer 108 is formed between the substrate 140 and the photoluminescence layer 110. In addition, as shown in FIG. 35B, in the case of having a plurality of photoluminescence layers 110a and 110b, diffusion preventing layers 108a or 108b are formed in the lower layers of the photoluminescence layers 110a and 110b, respectively.

基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも大きい場合には、図35C、図35Dに示すように、基板140上に低屈折率層107を形成すると有益である。図35Cに示すように、基板140の上に低屈折率層107を設けた場合、低屈折率層107とフォトルミネッセンス層110との間に拡散防止層108が形成される。さらに、図35Dに示すように、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび110bを有する場合には、フォトルミネッセンス層110aおよび110bの下層に拡散防止層108aおよび108bがそれぞれ形成される。   When the refractive index of the substrate 140 is larger than the refractive index of the photoluminescence layer 110, it is advantageous to form the low refractive index layer 107 on the substrate 140 as shown in FIGS. 35C and 35D. As shown in FIG. 35C, when the low refractive index layer 107 is provided on the substrate 140, the diffusion preventing layer 108 is formed between the low refractive index layer 107 and the photoluminescence layer 110. Furthermore, as shown in FIG. 35D, in the case of having a plurality of photoluminescence layers 110a and 110b, diffusion preventing layers 108a and 108b are formed under the photoluminescence layers 110a and 110b, respectively.

なお、低屈折率層107は、基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率と同等かそれよりも大きい場合に形成されればよい。低屈折率層107の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い。低屈折率層107は、例えば、MgF2、LiF、CaF2、BaF2、SrF2、石英、樹脂、HSQ・SOGなどの常温硬化ガラスを用いて形成される。低屈折率層107の厚さは、光の波長よりも大きいことが望ましい。基板140は、例えば、MgF2、LiF、CaF2、BaF2、SrF2、ガラス(例えばソーダ石灰ガラス)、樹脂、MgO、MgAl24、サファイア(Al23)、SrTiO3、LaAlO3、TiO2、Gd3Ga512、LaSrAlO4、LaSrGaO4、LaTaO3、SrO、YSZ(ZrO2・Y23)、YAG、Tb3Ga512を用いて形成される。 Note that the low refractive index layer 107 may be formed when the refractive index of the substrate 140 is equal to or larger than the refractive index of the photoluminescence layer 110. The refractive index of the low refractive index layer 107 is lower than the refractive index of the photoluminescence layer 110. The low refractive index layer 107 is formed using, for example, room temperature curing glass such as MgF 2 , LiF, CaF 2 , BaF 2 , SrF 2 , quartz, resin, HSQ · SOG. The thickness of the low refractive index layer 107 is desirably larger than the wavelength of light. The substrate 140 is, for example, MgF 2 , LiF, CaF 2 , BaF 2 , SrF 2 , glass (for example, soda lime glass), resin, MgO, MgAl 2 O 4 , sapphire (Al 2 O 3 ), SrTiO 3 , LaAlO 3. TiO 2 , Gd 3 Ga 5 O 12 , LaSrAlO 4 , LaSrGaO 4 , LaTaO 3 , SrO, YSZ (ZrO 2 .Y 2 O 3 ), YAG, Tb 3 Ga 5 O 12 .

拡散防止層108、108a、108bは、拡散を防止する対象の元素によって好適に選択されればよく、例えば、共有結合性の強い酸化物結晶や窒化物結晶を用いて形成されることができる。拡散防止層108、108a、108bの厚さは、それぞれ、例えば、50nm以下である。   The diffusion prevention layers 108, 108a, and 108b may be suitably selected depending on the element to be prevented from diffusion, and can be formed using, for example, an oxide crystal or nitride crystal having strong covalent bond. The thickness of each of the diffusion preventing layers 108, 108a, and 108b is, for example, 50 nm or less.

なお、拡散防止層108や後述する結晶成長層106のような、フォトルミネッセンス層110に隣接する層を有する構成においては、隣接する層の屈折率がフォトルミネッセンス層の屈折率よりも大きい場合、当該屈折率が大きい層の屈折率およびフォトルミネッセンス層の屈折率をそれぞれの体積比率で重み付けした平均屈折率をnwavとする。この場合は、光学的には、フォトルミネッセンス層が複数の異なる材料の層で構成されている場合と等価であるからである。 In a structure having a layer adjacent to the photoluminescence layer 110 such as the diffusion prevention layer 108 or the crystal growth layer 106 described later, when the refractive index of the adjacent layer is larger than the refractive index of the photoluminescence layer, Let n wav be the average refractive index obtained by weighting the refractive index of the layer having a large refractive index and the refractive index of the photoluminescence layer by the respective volume ratios. This is because this is optically equivalent to the case where the photoluminescence layer is composed of a plurality of layers of different materials.

無機材料を用いて形成されたフォトルミネッセンス層110においては、無機材料の結晶性が低いために、フォトルミネッセンス層110の発光特性が低いことがある。フォトルミネッセンス層110を構成する無機材料の結晶性を高めるために、図36Aに示すように、フォトルミネッセンス層110の下地に、結晶成長層(「シード層」ということもある。)106を形成してもよい。結晶成長層106は、その上に形成されるフォトルミネッセンス層110の結晶と格子整合する材料を用いて形成される。格子整合は、例えば±5%以内であることが望ましい。基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも大きい場合、結晶成長層106または106aの屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも小さいと有益である。   In the photoluminescence layer 110 formed using an inorganic material, the light emission characteristics of the photoluminescence layer 110 may be low because the crystallinity of the inorganic material is low. In order to enhance the crystallinity of the inorganic material constituting the photoluminescence layer 110, a crystal growth layer (also referred to as “seed layer”) 106 is formed on the base of the photoluminescence layer 110 as shown in FIG. 36A. May be. The crystal growth layer 106 is formed using a material that lattice-matches with the crystal of the photoluminescence layer 110 formed thereon. The lattice matching is desirably within ± 5%, for example. When the refractive index of the substrate 140 is larger than the refractive index of the photoluminescence layer 110, it is beneficial if the refractive index of the crystal growth layer 106 or 106a is smaller than the refractive index of the photoluminescence layer 110.

基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも大きい場合には、図36Bに示すように、基板140上に低屈折率層107を形成すればよい。結晶成長層106は、フォトルミネッセンス層110と接するので、基板140上に低屈折率層107が形成される場合には、低屈折率層107上に結晶成長層106が形成される。また、図36Cに示すように、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび110bを有する構成においては、複数のフォトルミネッセンス層110aおよび110bのそれぞれに対応する結晶成長層106aまたは106bを形成すると有益である。結晶成長層106、106aおよび106bの厚さは、それぞれ、例えば、50nm以下である。   When the refractive index of the substrate 140 is larger than the refractive index of the photoluminescence layer 110, a low refractive index layer 107 may be formed on the substrate 140 as shown in FIG. 36B. Since the crystal growth layer 106 is in contact with the photoluminescence layer 110, when the low refractive index layer 107 is formed on the substrate 140, the crystal growth layer 106 is formed on the low refractive index layer 107. Further, as shown in FIG. 36C, in the configuration having a plurality of photoluminescence layers 110a and 110b, it is advantageous to form crystal growth layers 106a or 106b corresponding to the plurality of photoluminescence layers 110a and 110b, respectively. Each of the crystal growth layers 106, 106a, and 106b has a thickness of, for example, 50 nm or less.

図37Aおよび37Bに示すように、周期構造120を保護するために、表面保護層132を設けてもよい。図37Aおよび37Bに示す例では、表面保護層132は、周期構造120を覆っており、表面保護層132のフォトルミネッセンス層110の表面は、平坦である。   As shown in FIGS. 37A and 37B, a surface protective layer 132 may be provided to protect the periodic structure 120. In the example shown in FIGS. 37A and 37B, the surface protective layer 132 covers the periodic structure 120, and the surface of the photoluminescence layer 110 of the surface protective layer 132 is flat.

表面保護層132は、図37Aに示すように、基板を有しないタイプのものであっても、図37Bに示すように、基板140を有するタイプのものにも設けられ得る。図37Aに示した基板を有しないタイプの発光素子においては、フォトルミネッセンス層110の下層にも表面保護層を設けてもよい。このように、表面保護層132は、上述したいずれの発光素子の表面に設けてもよい。周期構造120は、図37Aおよび図37Bに例示したものに限られず、上述したいずれのタイプであってもよい。例えば、周期構造120は、フォトルミネッセンス層110と同じ材料で形成された構造であり得る(図24参照)。この場合、空気層が透光層であるといってもよい。   As shown in FIG. 37A, the surface protective layer 132 may be provided in a type having no substrate, as shown in FIG. 37B. In the light-emitting element that does not include the substrate illustrated in FIG. 37A, a surface protective layer may be provided below the photoluminescence layer 110. Thus, the surface protective layer 132 may be provided on the surface of any of the light-emitting elements described above. The periodic structure 120 is not limited to those illustrated in FIGS. 37A and 37B, and may be any type described above. For example, the periodic structure 120 can be a structure formed of the same material as the photoluminescence layer 110 (see FIG. 24). In this case, it can be said that the air layer is a translucent layer.

表面保護層132は、例えば、樹脂、ハードコート材、SiO2、Al23(アルミナ)、SiOC、DLCを用いて形成することができる。表面保護層132の厚さは、例えば、100nm〜10μmである。 The surface protective layer 132 can be formed using, for example, a resin, a hard coat material, SiO 2 , Al 2 O 3 (alumina), SiOC, or DLC. The thickness of the surface protective layer 132 is, for example, 100 nm to 10 μm.

表面保護層132を設けることによって、発光素子を外部環境から保護し、発光素子の劣化を抑制することができる。表面保護層132は、発光素子の表面を傷、水分、酸素、酸、アルカリ、または熱から保護する。表面保護層132の材料や厚さは、用途に応じて適宜設定され得る。   By providing the surface protective layer 132, the light-emitting element can be protected from the external environment and deterioration of the light-emitting element can be suppressed. The surface protective layer 132 protects the surface of the light emitting element from scratches, moisture, oxygen, acid, alkali, or heat. The material and thickness of the surface protective layer 132 can be appropriately set according to the application.

また、基板140の材料は熱によって劣化することがある。熱は、主にフォトルミネッセンス層110の非輻射ロスやストークスロスによって生じる。例えば、石英の熱伝導率(1.6W/m・K)は、YAGの熱伝導率(11.4W/m・K)よりも約1桁小さい。したがって、フォトルミネッセンス層(例えばYAG層)110で発生した熱が基板(例えば石英基板)140を通して外部に熱伝導して放熱されにくく、フォトルミネッセンス層110の温度が上昇し、熱劣化を起こすことがある。   In addition, the material of the substrate 140 may be deteriorated by heat. Heat is generated mainly by non-radiation loss or Stokes loss of the photoluminescence layer 110. For example, the thermal conductivity of quartz (1.6 W / m · K) is about an order of magnitude smaller than that of YAG (11.4 W / m · K). Therefore, heat generated in the photoluminescence layer (for example, YAG layer) 110 is not easily dissipated through heat conduction to the outside through the substrate (for example, quartz substrate) 140, and the temperature of the photoluminescence layer 110 is increased, which may cause thermal degradation. is there.

そこで、図38Aに示すように、フォトルミネッセンス層110と基板140との間に、透明高熱伝導層105を形成することによって、フォトルミネッセンス層110の熱を外部に効率よく伝導させ、温度上昇を防ぐことができる。このとき、透明高熱伝導層105の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低いことが望ましい。なお、基板140の屈折率がフォトルミネッセンス層110の屈折率よりも低い場合には、透明高熱伝導層105の屈折率は、フォトルミネッセンス層110の屈折率よりも高くてもよい。ただし、この場合には、透明高熱伝導層105は、フォトルミネッセンス層110とともに導波層を形成するので、50nm以下であると有益である。基板140の材料として例えばソーダ石灰ガラスを用いる場合には、基板140の屈折率を考慮して透明高熱伝導層105を形成するための材料を決定すればよい。図38Bに示すように、フォトルミネッセンス層110と透明高熱伝導層105との間に、低屈折率層107を形成すれば、厚い透明高熱伝導層105を利用できる。   Therefore, as shown in FIG. 38A, by forming the transparent high thermal conductive layer 105 between the photoluminescent layer 110 and the substrate 140, the heat of the photoluminescent layer 110 is efficiently conducted to the outside and the temperature rise is prevented. be able to. At this time, the refractive index of the transparent high thermal conductive layer 105 is desirably lower than the refractive index of the photoluminescence layer 110. When the refractive index of the substrate 140 is lower than the refractive index of the photoluminescence layer 110, the refractive index of the transparent high thermal conductive layer 105 may be higher than the refractive index of the photoluminescence layer 110. However, in this case, since the transparent high thermal conductive layer 105 forms a waveguide layer together with the photoluminescence layer 110, it is beneficial that the thickness is 50 nm or less. When soda lime glass is used as the material of the substrate 140, for example, the material for forming the transparent high thermal conductive layer 105 may be determined in consideration of the refractive index of the substrate 140. As shown in FIG. 38B, if the low refractive index layer 107 is formed between the photoluminescence layer 110 and the transparent high thermal conductive layer 105, the thick transparent high thermal conductive layer 105 can be used.

また、図38Cに示すように、高い熱伝導率を有する低屈折率層107で周期構造120を覆ってもよい。さらに、図38Dに示すように、周期構造120を低屈折率層107で覆った上に、透明高熱伝導層105を形成してもよい。この構成においては、低屈折率層107が高い熱伝導率を有する必要はない。   Further, as shown in FIG. 38C, the periodic structure 120 may be covered with a low refractive index layer 107 having high thermal conductivity. Furthermore, as shown in FIG. 38D, the transparent high thermal conductive layer 105 may be formed after the periodic structure 120 is covered with the low refractive index layer 107. In this configuration, the low refractive index layer 107 does not need to have a high thermal conductivity.

透明高熱伝導層105の材料としては、例えば、Al23、MgO、Si34、ZnO、AlN、Y23、ダイヤモンド、グラフェン、CaF2、BaF2を挙げることができる。これらの内、CaF2、BaF2は、屈折率が低いので、低屈折率層107として利用することができる。 Examples of the material for the transparent high thermal conductive layer 105 include Al 2 O 3 , MgO, Si 3 N 4 , ZnO, AlN, Y 2 O 3 , diamond, graphene, CaF 2 , and BaF 2 . Of these, CaF 2 and BaF 2 have a low refractive index and can be used as the low refractive index layer 107.

[11.発光素子の他の実施形態]
図39は、本開示の他の実施形態による発光素子における模式的な断面を示す。説明の便宜のため、図39には、図1Bと同様に、互いに直交するx方向およびz方向が示されている。以下、他の図面においても互いに直交するx方向およびz方向を示すことがある。
[11. Other Embodiments of Light Emitting Element]
FIG. 39 shows a schematic cross section of a light emitting device according to another embodiment of the present disclosure. For convenience of explanation, FIG. 39 shows the x and z directions orthogonal to each other, as in FIG. 1B. Hereinafter, the x direction and the z direction which are orthogonal to each other may be shown in other drawings.

図39に示す発光素子100dは、フォトルミネッセンス層110dと、周期構造120dとを有する。図39に例示する構成において、フォトルミネッセンス層110dの上面および下面は、それぞれ、凹面および凸面である。換言すれば、図示される断面において、フォトルミネッセンス層110dの上面および下面の形状は、図の下方に向けて凸である。すなわち、フォトルミネッセンス層110dは、全体として湾曲した形状を有している。なお、本明細書において、「上面」および「下面」の用語は、層状の構造物の2つの主面を区別するために用いられており、発光素子の使用時における姿勢を限定することを意図していない。「下層」の用語についても同様である。   A light-emitting element 100d illustrated in FIG. 39 includes a photoluminescence layer 110d and a periodic structure 120d. In the configuration illustrated in FIG. 39, the upper surface and the lower surface of the photoluminescence layer 110d are a concave surface and a convex surface, respectively. In other words, in the illustrated cross section, the shape of the upper surface and the lower surface of the photoluminescence layer 110d is convex downward in the drawing. That is, the photoluminescence layer 110d has a curved shape as a whole. Note that in this specification, the terms “upper surface” and “lower surface” are used to distinguish two main surfaces of a layered structure, and are intended to limit the posture of the light-emitting element during use. Not done. The same applies to the term “lower layer”.

図39に例示する構成において、周期構造120dは、フォトルミネッセンス層110dの凹面(すなわち、ここでは上面)に形成されている。この例では、図24を参照して説明した周期構造120と同様に、周期構造120dは、フォトルミネッセンス層110dと同じ材料で形成されている。この周期構造120dは、複数の凸部を含む。周期構造120dを構成する凸部の各々の頂面120tは、平面状であってもよいし、曲面状であってもよい。以下では、各頂面120tが平面である例を説明する。   In the configuration illustrated in FIG. 39, the periodic structure 120d is formed on the concave surface (that is, the upper surface here) of the photoluminescence layer 110d. In this example, like the periodic structure 120 described with reference to FIG. 24, the periodic structure 120d is formed of the same material as the photoluminescence layer 110d. This periodic structure 120d includes a plurality of convex portions. Each top surface 120t of the convex portions constituting the periodic structure 120d may be planar or curved. Hereinafter, an example in which each top surface 120t is a plane will be described.

周期構造120dは、図1Aおよび図1Bを参照して説明した発光素子100における周期構造120と同様に、フォトルミネッセンス層110dが発する光の指向角を制限する機能を有する。ここでは、空気中の波長がλaである光に注目する。周期構造120dは、例えば波長がλaの光の指向角を制限する。波長がλaの光は、例えば、凸部の頂面120tの法線方向に強く出射される。 The periodic structure 120d has a function of limiting the directivity angle of light emitted from the photoluminescence layer 110d, like the periodic structure 120 in the light-emitting element 100 described with reference to FIGS. 1A and 1B. Here, attention is focused on light having a wavelength λ a in the air. For example, the periodic structure 120d limits the directivity angle of light having a wavelength of λa. For example, light having a wavelength of λa is strongly emitted in the normal direction of the top surface 120t of the convex portion.

ここでは、図39において模式的に示すように、フォトルミネッセンス層110dの上面が凹面である。そのため、この例では、周期構造120dにおける複数の頂面120tもフォトルミネッセンス層110dの上面の凹形状に追従した配置を有している。換言すれば、複数の頂面120tの各々は、フォトルミネッセンス層110dの中央部に向かって低くなるように傾斜している。つまり、フォトルミネッセンス層110dの下面における中央部に接する基準面Lg(この例ではz方向に垂直)を想定したとき、基準面Lgと頂面120t上のある点Pt(図39中、黒丸により模式的に示す)との間の距離Hは、点Ptがフォトルミネッセンス層110dの中央部に近づくにつれて減少する。   Here, as schematically shown in FIG. 39, the upper surface of the photoluminescence layer 110d is a concave surface. Therefore, in this example, the plurality of top surfaces 120t in the periodic structure 120d also have an arrangement following the concave shape on the upper surface of the photoluminescence layer 110d. In other words, each of the plurality of top surfaces 120t is inclined so as to become lower toward the central portion of the photoluminescence layer 110d. That is, assuming a reference plane Lg (in this example, perpendicular to the z direction) in contact with the center of the lower surface of the photoluminescence layer 110d, a certain point Pt on the reference plane Lg and the top surface 120t (in FIG. 39, a black circle represents The distance H between the two points decreases as the point Pt approaches the central portion of the photoluminescence layer 110d.

周期構造120dにおける複数の頂面120tが、フォトルミネッセンス層110dの上面の凹形状に追従した配置を有するので、凸部の頂面120tの法線方向に出射した、波長λaを有する光線は、フォトルミネッセンス層110dの上面の中央にたてた法線Nに向かって進行する。すなわち、フォトルミネッセンス層110dを湾曲した形状に形成することによって、特定の波長の光(ここでは波長λaを有する光)を集光させ得る。 A plurality of top surface 120t of the periodic structure 120d is, because it has an arrangement that follows the concave shape of the upper surface of the photoluminescence layer 110d, emitted in the normal direction of the top surface 120t of the convex portion, light having a wavelength lambda a is It proceeds toward the normal line N established at the center of the upper surface of the photoluminescence layer 110d. That is, by forming the photoluminescence layer 110d in a curved shape, light having a specific wavelength (here, light having a wavelength λa) can be collected.

なお、周期構造から出射する光には、特定の方向(例えば正面方向)以外の方向に出射する光が含まれ得る(例えば図29参照)。例えば、頂面120tから出射する光には、仮にフォトルミネッセンス層110dが平板状であったとすればフォトルミネッセンス層110dの中央にたてた法線から離れる方向に進行する光が含まれることがある。フォトルミネッセンス層110dが、図39に示すように湾曲していれば、このような光線の出射方向は、その法線に平行な方向に近づくことになる。つまり、本開示の実施形態によれば、発光における指向性を向上させ得る。例えば、ある特定波長の光に注目したとき、フォトルミネッセンス層の光出射面の中央にたてた法線から離れる方向に進行する光が低減された発光素子を提供し得る。   In addition, the light radiate | emitted from a periodic structure may contain the light radiate | emitted in directions other than a specific direction (for example, front direction) (for example, refer FIG. 29). For example, the light emitted from the top surface 120t may include light traveling in a direction away from the normal line formed at the center of the photoluminescence layer 110d if the photoluminescence layer 110d is a flat plate. . If the photoluminescence layer 110d is curved as shown in FIG. 39, the emission direction of such a light beam approaches a direction parallel to the normal line. That is, according to the embodiment of the present disclosure, the directivity in light emission can be improved. For example, when attention is paid to light of a specific wavelength, it is possible to provide a light-emitting element in which light traveling in a direction away from a normal line formed at the center of the light emission surface of the photoluminescence layer is reduced.

このように、本開示の実施形態によれば、発光における指向性を向上させ得る。発光における指向性の向上により、例えば、発光素子から出射された光を受ける光学部品を小型化し得る。なお、周期構造120dを構成する凸部の各々の頂面120tが曲面である場合、各頂面120tの形状は、周期構造120dにおける複数の頂面120tを包含する面が全体として凹面とみなし得るような形状であればよい。   Thus, according to the embodiment of the present disclosure, the directivity in light emission can be improved. By improving directivity in light emission, for example, an optical component that receives light emitted from the light emitting element can be reduced in size. In addition, when each top surface 120t of the convex portion constituting the periodic structure 120d is a curved surface, the shape of each top surface 120t can be regarded as a concave surface as a whole including a plurality of top surfaces 120t in the periodic structure 120d. Any shape can be used.

[12.湾曲したフォトルミネッセンス層を有する発光素子の変形例]
図40は、湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有する発光素子の変形例を示す。図40に例示する構成では、フォトルミネッセンス層110dの上面に、光吸収性の低い誘電体から形成された周期構造を含む透光層120dが形成されている。周期構造は、透光層120dの表面に形成された構造であってもよい。なお、図39を参照して説明した例では、周期構造120dがフォトルミネッセンス層110dと同じ材料で形成されており、空気層を透光層とみなし得る。このとき、フォトルミネッセンス層110dと透光層とは、互いに接しており、フォトルミネッセンス層110dと透光層との界面に周期構造が形成されているといえる。
[12. Modification of light-emitting element having curved photoluminescence layer]
FIG. 40 shows a modification of the light-emitting element having the curved photoluminescence layer 110d. In the configuration illustrated in FIG. 40, a light-transmitting layer 120d including a periodic structure formed of a dielectric material having low light absorption is formed on the upper surface of the photoluminescence layer 110d. The periodic structure may be a structure formed on the surface of the light transmitting layer 120d. In the example described with reference to FIG. 39, the periodic structure 120d is formed of the same material as that of the photoluminescence layer 110d, and the air layer can be regarded as a light-transmitting layer. At this time, it can be said that the photoluminescence layer 110d and the light-transmitting layer are in contact with each other, and a periodic structure is formed at the interface between the photoluminescence layer 110d and the light-transmitting layer.

図40に示す例では、透光層120dが、フォトルミネッセンス層110dと同様に湾曲している。図40に例示する構成において、発光素子100dの断面形状は、図39を参照して説明した例と同様に全体として円弧状であるといえる。なお、「円弧状」は、厳密な円弧に限定されず、楕円の一部を取り出した形状も含む。   In the example shown in FIG. 40, the translucent layer 120d is curved similarly to the photoluminescent layer 110d. In the configuration illustrated in FIG. 40, it can be said that the cross-sectional shape of the light emitting element 100d is an arc as a whole as in the example described with reference to FIG. The “arc shape” is not limited to a strict arc shape, and includes a shape obtained by extracting a part of an ellipse.

透光層120dは、フォトルミネッセンス層110dに近接して配置され得る。ただし、透光層120dの屈折率がフォトルミネッセンス層110dの屈折率よりも大きい場合、透光層120dの配置は、この例に限定されない。上述したように、透光層120dの屈折率がフォトルミネッセンス層110dの屈折率よりも大きければ、透光層120dに形成された周期構造とフォトルミネッセンス層110dとの間の距離が波長λaの半分より大きくても、透光層120dに光が到達し得るからである。 The translucent layer 120d can be disposed in proximity to the photoluminescent layer 110d. However, when the refractive index of the translucent layer 120d is larger than the refractive index of the photoluminescence layer 110d, the arrangement of the translucent layer 120d is not limited to this example. As described above, if the refractive index of the transparent layer 120d is larger than the refractive index of the photoluminescence layer 110d, the distance between the periodic structure and the photoluminescence layer 110d formed on the light transmitting layer 120d is the wavelength lambda a This is because light can reach the light-transmitting layer 120d even if it is larger than half.

図41は、湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有する発光素子の他の変形例を示す。図41に示すように、フォトルミネッセンス層110dと透光層120dとの間に、例えば図23を参照して説明した保護層150などの中間層を配置してもよい。中間層が、異なる材料の複数の層を含んでいてもよい。   FIG. 41 shows another modification of the light-emitting element having the curved photoluminescence layer 110d. As shown in FIG. 41, an intermediate layer such as the protective layer 150 described with reference to FIG. 23 may be disposed between the photoluminescence layer 110d and the light transmitting layer 120d. The intermediate layer may include multiple layers of different materials.

図42は、湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有する発光素子のさらに他の変形例を示す。図42に示す発光素子100eは、図1Cおよび図1Dに示す発光素子100aと同様に、フォトルミネッセンス層110dを支持する透明基板140eを有する。ここでは、透明基板140eは、フォトルミネッセンス層110dと同様に湾曲している。すなわち、発光素子100eの断面形状は、図39を参照して説明した例と同様に全体として円弧状である。   FIG. 42 shows still another modification example of the light emitting element having the curved photoluminescence layer 110d. The light emitting element 100e illustrated in FIG. 42 includes a transparent substrate 140e that supports the photoluminescence layer 110d, similarly to the light emitting element 100a illustrated in FIGS. 1C and 1D. Here, the transparent substrate 140e is curved similarly to the photoluminescence layer 110d. That is, the cross-sectional shape of the light emitting element 100e is an arc as a whole as in the example described with reference to FIG.

図42に示すように、透明基板140e上にフォトルミネッセンス層110dおよび周期構造120dを形成した構造を採用してもよい。周期構造120dは、フォトルミネッセンス層110dと同じ材料から形成されていてもよいし、フォトルミネッセンス層110dを構成する材料とは異なる材料から形成されていてもよい。例えば、図40を参照して説明した発光素子100dを透明基板140e上に配置した構成ももちろん可能である。   As shown in FIG. 42, a structure in which a photoluminescence layer 110d and a periodic structure 120d are formed on a transparent substrate 140e may be employed. The periodic structure 120d may be formed of the same material as that of the photoluminescence layer 110d, or may be formed of a material different from the material constituting the photoluminescence layer 110d. For example, a configuration in which the light emitting element 100d described with reference to FIG. 40 is disposed on the transparent substrate 140e is also possible.

上述した変形例の他にも、種々の改変が可能である。例えば、図19Aおよび図19Bを参照して説明した例と同様に、透明基板上に周期構造を形成し、その上にフォトルミネッセンス層を設けてもよい。図43は、フォトルミネッセンス層110dと透明基板140eとの間に、周期構造が形成された中間層160を配置した構成例を示す。図43に示す発光素子100fは、フォトルミネッセンス層110dと透明基板140eとの間に中間層160を有する。図示される例において、中間層160の表面のうち、フォトルミネッセンス層110dに対向する面上に、周期構造120fが形成されている。この例では、フォトルミネッセンス層110dの表面に、中間層160の周期構造120fに追従するように周期構造120dが形成されている。フォトルミネッセンス層110dの表面は、図19Bに示す例と同様に、平滑化されていてもよい。すなわち、フォトルミネッセンス層110dと中間層(または透明基板)との界面に周期構造を有し、フォトルミネッセンス層110dの表面には周期構造を有しないような構成ももちろん可能である。   In addition to the above-described modifications, various modifications can be made. For example, as in the example described with reference to FIGS. 19A and 19B, a periodic structure may be formed on a transparent substrate, and a photoluminescence layer may be provided thereon. FIG. 43 shows a configuration example in which an intermediate layer 160 having a periodic structure is arranged between the photoluminescence layer 110d and the transparent substrate 140e. A light emitting element 100f shown in FIG. 43 includes an intermediate layer 160 between the photoluminescence layer 110d and the transparent substrate 140e. In the illustrated example, a periodic structure 120f is formed on the surface of the intermediate layer 160 on the surface facing the photoluminescence layer 110d. In this example, the periodic structure 120d is formed on the surface of the photoluminescence layer 110d so as to follow the periodic structure 120f of the intermediate layer 160. The surface of the photoluminescence layer 110d may be smoothed as in the example shown in FIG. 19B. That is, it is possible to have a structure in which a periodic structure is provided at the interface between the photoluminescence layer 110d and the intermediate layer (or transparent substrate) and the surface of the photoluminescence layer 110d does not have a periodic structure.

透明基板140e上の周期構造120fは、透明基板140eを構成する材料(例えばサファイア)と異なる材料(例えばSiO2(石英))から形成されていてもよい。なお、図43に示す例では、周期構造120fにおける複数の凸部は、中間層160のうち透明基板140eに近い部分において連結されている。しかしながら、これは、あくまでも例示であり、複数の凸部を分離して透明基板140e上に配置することにより、中間層160を形成してもよい。 The periodic structure 120f on the transparent substrate 140e may be formed of a material (for example, SiO 2 (quartz)) different from the material (for example, sapphire) constituting the transparent substrate 140e. In the example shown in FIG. 43, the plurality of convex portions in the periodic structure 120f are connected in a portion of the intermediate layer 160 close to the transparent substrate 140e. However, this is merely an example, and the intermediate layer 160 may be formed by separating a plurality of convex portions and arranging them on the transparent substrate 140e.

フォトルミネッセンス層が概ね平板状のタイプの発光素子について述べた種々の改変は、湾曲したフォトルミネッセンス層110dを有するタイプの発光素子にも適用可能である。例えば、図35A〜35Dを参照して説明したように、基板140eとフォトルミネッセンス層110dとの間に拡散防止層108を配置してもよい。図38Aおよび38Bを参照して説明したように、フォトルミネッセンス層110dと基板140eとの間に、透明高熱伝導層105を配置してもよい。   The various modifications described for the light-emitting element with a photoluminescence layer having a substantially flat plate shape can be applied to a light-emitting element having a curved photoluminescence layer 110d. For example, as described with reference to FIGS. 35A to 35D, the diffusion preventing layer 108 may be disposed between the substrate 140e and the photoluminescence layer 110d. As described with reference to FIGS. 38A and 38B, the transparent high thermal conductive layer 105 may be disposed between the photoluminescent layer 110d and the substrate 140e.

[13.製造方法]
以下、発光素子の例示的な製造方法を説明する。
[13. Production method]
Hereinafter, an exemplary method for manufacturing a light emitting device will be described.

まず、透明基板を用意する。次に、透明基板上にフォトルミネッセンス材料を付与することにより、透明基板上にフォトルミネッセンス材料の膜を形成する。フォトルミネッセンス材料の膜の形成には、例えば、スパッタリング、ゾルゲル法、CVD法を適用し得る。   First, a transparent substrate is prepared. Next, a film of the photoluminescence material is formed on the transparent substrate by applying a photoluminescence material on the transparent substrate. For example, sputtering, a sol-gel method, or a CVD method can be applied to the formation of the photoluminescent material film.

その後、還元雰囲気下または空気中でフォトルミネッセンス材料の膜を焼成する。無機のフォトルミネッセンス材料を用いる場合、焼成により、結晶性を向上させ得る。透明基板として石英基板を用いる場合、焼成における温度は、950℃〜1200℃程度であり得る。なお、レーザ、プラズマなどを用いてフォトルミネッセンス材料の膜の表面を加熱する手法を適用すれば、透明基板として例えばソーダ石灰ガラスの基板を用いることも可能である。   Thereafter, the film of the photoluminescent material is baked in a reducing atmosphere or in air. When an inorganic photoluminescence material is used, the crystallinity can be improved by firing. When a quartz substrate is used as the transparent substrate, the firing temperature can be about 950 ° C to 1200 ° C. Note that if a method of heating the surface of the photoluminescent material film using a laser, plasma, or the like is applied, it is possible to use, for example, a soda-lime glass substrate as the transparent substrate.

焼成の過程において、フォトルミネッセンス材料の膜は、体積収縮する。このとき、厚さ方向だけでなく基板面内に沿った方向にもフォトルミネッセンス材料の膜が収縮するので、これにより、透明基板の主面のうち、フォトルミネッセンス材料が付与された面が凹面となるように、透明基板およびフォトルミネッセンス材料の膜を湾曲させ得る。すなわち、焼成の工程を経ることにより、湾曲したフォトルミネッセンス層110dおよび湾曲した透明基板140eの積層体が得られる。   During the firing process, the photoluminescent material film shrinks in volume. At this time, since the film of the photoluminescence material contracts not only in the thickness direction but also in the direction along the substrate surface, the surface to which the photoluminescence material is applied is the concave surface among the main surfaces of the transparent substrate. As such, the transparent substrate and the photoluminescent material film may be curved. That is, a laminated body of the curved photoluminescence layer 110d and the curved transparent substrate 140e is obtained through the baking process.

その後、フォトルミネッセンス層110dの表面を加工して周期構造120dを形成すれば、図42に示す発光素子100eが得られる。フォトルミネッセンス層110dの表面を加工することに代えて、フォトルミネッセンス層110d上に誘電体膜を形成し、誘電体膜のパターニングを行ってもよい。あるいは、ナノインプリントによって周期構造を形成してもよい。例えば誘電体膜のパターニングにより、誘電体から形成された周期構造を含む透光層120dをフォトルミネッセンス層110d上に形成することが可能である。フォトルミネッセンス層110dおよび周期構造120d(または透光層120d)を透明基板140eから剥離すれば、図39に示す発光素子100dまたは図40に示す発光素子100dが得られる。   Thereafter, by processing the surface of the photoluminescence layer 110d to form the periodic structure 120d, the light emitting element 100e shown in FIG. 42 is obtained. Instead of processing the surface of the photoluminescence layer 110d, a dielectric film may be formed on the photoluminescence layer 110d, and the dielectric film may be patterned. Alternatively, the periodic structure may be formed by nanoimprint. For example, a light-transmitting layer 120d including a periodic structure formed of a dielectric can be formed on the photoluminescence layer 110d by patterning a dielectric film. When the photoluminescence layer 110d and the periodic structure 120d (or the light transmitting layer 120d) are peeled from the transparent substrate 140e, the light emitting element 100d illustrated in FIG. 39 or the light emitting element 100d illustrated in FIG. 40 is obtained.

透明基板上にフォトルミネッセンス材料を付与する前に、透明基板上に周期構造を形成しておいてもよい。例えば、半導体プロセス、ナノインプリントなどを適用して、透明基板上に周期構造を形成する。周期構造は、透明基板の表面を加工することによって形成されてもよいし、透明基板とは異なる材料の膜のパターニングまたはナノインプリントによって形成されてもよい。   Prior to applying the photoluminescent material on the transparent substrate, a periodic structure may be formed on the transparent substrate. For example, a periodic structure is formed on a transparent substrate by applying a semiconductor process, nanoimprint, or the like. The periodic structure may be formed by processing the surface of the transparent substrate, or may be formed by patterning or nanoimprinting a film of a material different from that of the transparent substrate.

周期構造の形成後、周期構造を覆うようにフォトルミネッセンス材料を周期構造上に付与する。フォトルミネッセンス材料の膜の形成後に焼成を行うことにより、湾曲したフォトルミネッセンス層110dと湾曲した透明基板140eとの間に周期構造が形成された発光素子が得られる。例えば、図43に示す発光素子100fが得られる。必要に応じて、フォトルミネッセンス層110dの表面を平滑化したり、フォトルミネッセンス層110d上に表面保護層132(図37Aおよび37B参照)を形成したりしてもよい。   After the formation of the periodic structure, a photoluminescent material is applied on the periodic structure so as to cover the periodic structure. By performing baking after the formation of the film of the photoluminescence material, a light emitting element in which a periodic structure is formed between the curved photoluminescence layer 110d and the curved transparent substrate 140e is obtained. For example, the light emitting element 100f illustrated in FIG. 43 is obtained. If necessary, the surface of the photoluminescence layer 110d may be smoothed, or the surface protective layer 132 (see FIGS. 37A and 37B) may be formed on the photoluminescence layer 110d.

[14.湾曲の測定例]
以下に、湾曲したフォトルミネッセンス層を有する発光素子の表面形状の測定結果の一例を説明する。ここでは、透明基板上にフォトルミネッセンス層が形成されたサンプル(図42参照)を作製し、そのサンプルにおける湾曲の大きさを測定した。ただし、ここでは、表面形状の評価が目的であるので、周期構造120dの形成を省略した。
[14. Measurement example of curvature]
Below, an example of the measurement result of the surface shape of the light emitting element which has a curved photo-luminescence layer is demonstrated. Here, a sample (see FIG. 42) in which a photoluminescence layer was formed on a transparent substrate was manufactured, and the magnitude of the curvature in the sample was measured. However, since the purpose here is to evaluate the surface shape, the formation of the periodic structure 120d is omitted.

サンプルは、以下のようにして作製した。まず、15mm角の大きさの石英基板を用意した。石英基板の厚さは0.5mmであった。次に、石英基板上にフォトルミネッセンス材料であるYAG:Ceの膜(厚さ:およそ300nm)を形成した。YAG:Ce膜の形成後、還元雰囲気下、焼成温度がおよそ1000℃、焼成時間が4時間の条件でYAG:Ce膜の焼成を行った。焼成により、石英基板およびフォトルミネッセンス層の積層構造を有するサンプルが得られた。   Samples were prepared as follows. First, a quartz substrate having a size of 15 mm square was prepared. The thickness of the quartz substrate was 0.5 mm. Next, a YAG: Ce film (thickness: about 300 nm) as a photoluminescence material was formed on a quartz substrate. After the formation of the YAG: Ce film, the YAG: Ce film was baked in a reducing atmosphere under conditions of a baking temperature of approximately 1000 ° C. and a baking time of 4 hours. By baking, a sample having a laminated structure of a quartz substrate and a photoluminescence layer was obtained.

次に、ブルカー社製、スタイラスプロファイラーDEKTAK XT(「DEKTAK」はブルカー ナノ インコーポレイテッドの登録商標)を用いて、得られたサンプルのフォトルミネッセンス層側の表面形状を測定した。測定には、先端の半径が12.5μmの触針を用いた。   Next, the surface shape of the obtained sample on the photoluminescence layer side was measured using a stylus profiler DEKTAK XT ("DEKTAK" is a registered trademark of Bruker Nano Inc.) manufactured by Bruker. For the measurement, a stylus having a tip radius of 12.5 μm was used.

図44は、サンプルにおける表面形状の測定結果を示す。図44は、サンプルの矩形状の一辺に平行な方向に沿って測定した結果を示している。図44から、このサンプルでは、端部と比較して中央付近が1.1μm程度低いことが分かった。すなわち、図44に示す例では、基準面からフォトルミネッセンス層側の表面までの距離が、15mmの測定範囲において1.1μmの範囲で変化している。本明細書では、表面およびその表面に概ね平行な裏面を有する部材(例えば層または基板)において、その部材の端部から中央部に向けて、基準面から測った、その表面までの距離が減少または増加している状態を、「湾曲している」と表現する。   FIG. 44 shows the measurement results of the surface shape of the sample. FIG. 44 shows the result of measurement along a direction parallel to one side of the rectangular shape of the sample. From FIG. 44, it was found that in this sample, the vicinity of the center was lower by about 1.1 μm than the end. That is, in the example shown in FIG. 44, the distance from the reference plane to the surface on the photoluminescence layer side changes in the range of 1.1 μm in the measurement range of 15 mm. In this specification, in a member (for example, a layer or a substrate) having a front surface and a back surface substantially parallel to the front surface, the distance from the reference surface to the surface decreases from the end to the center of the member. Alternatively, the increasing state is expressed as “curved”.

このサンプルと同様の程度の湾曲を有する発光素子において、発光素子の表面が円弧であり、かつ、注目した波長の光が発光素子の表面の各点から垂直に出射されると仮定すると、発光素子から出射した光は、発光素子の表面からおよそ51mの点に収束する。すなわち、本開示の実施形態によれば、発光における指向性を向上可能であることが分かった。   In the light emitting element having the same degree of curvature as this sample, assuming that the surface of the light emitting element is an arc and light of the wavelength of interest is emitted vertically from each point on the surface of the light emitting element, the light emitting element The light emitted from the light converges at a point of about 51 m from the surface of the light emitting element. That is, according to the embodiment of the present disclosure, it has been found that the directivity in light emission can be improved.

[15.発光素子のさらに他の実施形態]
図45は、本開示のさらに他の実施形態による発光素子における模式的な断面を示す。図45に示す発光素子100gは、図42を参照して説明した発光素子100eと同様に、フォトルミネッセンス層と周期構造とを有する。ただし、図42を参照して説明した発光素子100eにおけるフォトルミネッセンス層110dが全体として湾曲していることに対して、発光素子100gにおけるフォトルミネッセンス層110eは、その下面が平坦面である。この例では、フォトルミネッセンス層110eの上面は、凹面である。別の言い方をすれば、発光素子100gのフォトルミネッセンス層110eは、位置によって異なった厚さを有する。図45に例示する構成において、フォトルミネッセンス層110eの厚さは、端部から中央部に向かって減少している。
[15. Still another embodiment of light emitting device]
FIG. 45 shows a schematic cross section of a light emitting device according to still another embodiment of the present disclosure. A light emitting element 100g illustrated in FIG. 45 includes a photoluminescence layer and a periodic structure, similarly to the light emitting element 100e described with reference to FIG. However, the photoluminescence layer 110d in the light emitting element 100e described with reference to FIG. 42 is curved as a whole, whereas the lower surface of the photoluminescence layer 110e in the light emitting element 100g is a flat surface. In this example, the upper surface of the photoluminescence layer 110e is a concave surface. In other words, the photoluminescence layer 110e of the light emitting element 100g has a different thickness depending on the position. In the configuration illustrated in FIG. 45, the thickness of the photoluminescence layer 110e decreases from the end toward the center.

図45に示す例では、フォトルミネッセンス層110eの上面に、周期構造120eが形成されている。この周期構造120eは、フォトルミネッセンス層110eと同じ材料で形成されていてもよいし、フォトルミネッセンス層110eとは異なる材料で形成されていてもよい。図46は、フォトルミネッセンス層110eの上面に、光吸収性の低い誘電体から形成された周期構造を含む透光層120eが設けられた構成例を示す。   In the example shown in FIG. 45, the periodic structure 120e is formed on the upper surface of the photoluminescence layer 110e. The periodic structure 120e may be formed of the same material as that of the photoluminescence layer 110e, or may be formed of a material different from that of the photoluminescence layer 110e. FIG. 46 shows a configuration example in which a light-transmitting layer 120e including a periodic structure formed of a dielectric material having low light absorption is provided on the upper surface of the photoluminescence layer 110e.

この例では、発光素子100gは、フォトルミネッセンス層110eを支持する透明基板140を有している。しかしながら、透明基板140は、ここで説明する実施形態に必須の要素ではない。したがって、ここで説明する実施形態による発光素子から透明基板140を省略した構成によっても後述する効果が得られる。ここでは、透明基板140は、湾曲しておらず、透明基板140の上面および下面は、平坦面である。したがって、透明基板140の上面に対向するフォトルミネッセンス層110eの下面も平坦面である。   In this example, the light emitting element 100g includes a transparent substrate 140 that supports the photoluminescence layer 110e. However, the transparent substrate 140 is not an essential element for the embodiments described herein. Therefore, the effects described later can be obtained also by a configuration in which the transparent substrate 140 is omitted from the light emitting device according to the embodiment described here. Here, the transparent substrate 140 is not curved, and the upper surface and the lower surface of the transparent substrate 140 are flat surfaces. Therefore, the lower surface of the photoluminescence layer 110e facing the upper surface of the transparent substrate 140 is also a flat surface.

以下、このような構成によって得られる効果を説明する。   Hereinafter, effects obtained by such a configuration will be described.

既に説明したように、例えばフォトルミネッセンス層上に周期構造を形成し、フォトルミネッセンス層の厚さを調整することによって、任意の特定の波長の発光を強調することが可能である。このことは、フォトルミネッセンス層の厚さが場所ごとに異なれば、ある方向に出射される光の波長も場所ごとに異なることを意味する。   As already explained, it is possible to enhance the emission of any particular wavelength, for example by forming a periodic structure on the photoluminescence layer and adjusting the thickness of the photoluminescence layer. This means that if the thickness of the photoluminescence layer varies from place to place, the wavelength of light emitted in a certain direction also varies from place to place.

図47および図48は、発光素子100gのフォトルミネッセンス層110eの一部を拡大して示す。図47および図48では、周期構造120eに含まれる凸部のうちの2つが示されている。図示される例では、図47において右側の凸部の頂面120tからは、透明基板140の法線方向に波長λaの光が強く出射している。一方、左側の凸部の頂面120tからは、波長λaの光が、透明基板140の法線方向に対して発光素子100gの中心に向かって傾斜した方向に出射している。つまり、波長λaの光に注目したとき、発光素子100gの中心から離れる方向に進行する光が低減されている。 47 and 48 show an enlarged part of the photoluminescence layer 110e of the light emitting element 100g. 47 and 48, two of the convex portions included in the periodic structure 120e are shown. In the example shown in FIG. 47, light having a wavelength λa is emitted strongly from the top surface 120t of the convex portion on the right side in the normal direction of the transparent substrate 140. On the other hand, from the top surface 120t of the left protruding portion, the light of wavelength lambda a has emitted in a direction inclined toward the center of the light emitting element 100g with respect to the normal direction of the transparent substrate 140. That is, when focusing on the light of the wavelength lambda a, light traveling in a direction away from the center of the light emitting element 100g is reduced.

図47に模式的に示すように、左側の凸部の頂面120tからは、透明基板140の法線方向に、波長λaとは異なる、波長λbの光が強く出射される。つまり、端部から中央部に向かって厚さが変化するようなフォトルミネッセンス層を形成することによって、特定の方向(例えば発光素子の正面方向)に強く出射される光の波長の範囲を拡大することが可能である。 As shown schematically in FIG. 47, from the top surface 120t of the left protrusion, in the normal direction of the transparent substrate 140, the wavelength lambda a different, light of the wavelength lambda b is strongly emitted. That is, by forming a photoluminescence layer whose thickness changes from the end toward the center, the range of the wavelength of light that is strongly emitted in a specific direction (for example, the front direction of the light emitting element) is expanded. It is possible.

図48を参照する。頂面120tの各々において、頂面120tの法線方向に強く出射する光の波長に注目する。図48に示す例では、2つの凸部のうち、図の左側の凸部の頂面120tからは、頂面120tの法線方向に、波長λaの光が強く出射している。一方、図の右側の凸部の頂面120tからは、頂面120tの法線方向に、波長λaとは異なる波長λcの光が強く出射している。互いに波長の異なるこれらの光線は、透明基板140の中央にたてた法線に向かって進行する。すなわち、端部から中央部に向かって厚さが減少するようなフォトルミネッセンス層110eを形成することにより、異なる波長の光を収束させることが可能である。これにより、混色の効果が得られ、発光素子から出射される光における色ムラを低減し得る。 Refer to FIG. At each top surface 120t, attention is focused on the wavelength of light that is emitted strongly in the normal direction of the top surface 120t. In the example shown in FIG. 48, light having a wavelength λa is emitted strongly from the top surface 120t of the left convex portion in the drawing in the normal direction of the top surface 120t. On the other hand, from the top surface 120t of the right protrusion of the figure, in the normal direction of the top surface 120t, which emits strong light of different wavelengths lambda c is a wavelength lambda a. These light beams having different wavelengths travel toward a normal line established in the center of the transparent substrate 140. That is, by forming the photoluminescence layer 110e whose thickness decreases from the end toward the center, it is possible to converge light of different wavelengths. Thereby, the effect of color mixing can be obtained, and color unevenness in the light emitted from the light emitting element can be reduced.

図45および図46に示す例では、フォトルミネッセンス層110eの厚さが、端部から中央部に向かって減少している。しかしながら、これは例示に過ぎず、フォトルミネッセンス層の厚さは、端部から中央部に向かって増加していてもよい。   In the example shown in FIGS. 45 and 46, the thickness of the photoluminescence layer 110e decreases from the end toward the center. However, this is merely an example, and the thickness of the photoluminescence layer may increase from the end toward the center.

図49は、厚さが端部から中央部に向かって増加するフォトルミネッセンス層110hを有する発光素子100hを示す。図49に例示する構成において、フォトルミネッセンス層110hの上面は凸面である。図示されるように、発光素子100hは、フォトルミネッセンス層110hの上面に形成された周期構造120hを有する。   FIG. 49 shows a light-emitting element 100h having a photoluminescence layer 110h whose thickness increases from the end toward the center. In the configuration illustrated in FIG. 49, the upper surface of the photoluminescence layer 110h is a convex surface. As illustrated, the light emitting element 100h has a periodic structure 120h formed on the upper surface of the photoluminescence layer 110h.

再び図48を参照する。図48中、左側の凸部の頂面120tに注目すると、凸部の頂面120tには、波長λaの光が頂面120tの法線方向に強く出射している。この頂面120tからは、波長λaとは異なる波長、例えば波長λcの光も出射される。 Refer to FIG. 48 again. In FIG. 48, when attention is paid to the top surface 120t of the left convex portion, light having a wavelength λa is strongly emitted from the top surface 120t of the convex portion in the normal direction of the top surface 120t. From the top surface 120t, light having a wavelength different from the wavelength λ a , for example, light having a wavelength λ c is also emitted.

図48に模式的に示すように、波長λcの光は、頂面120tの法線方向に関して対称に、2つの方向に向けて出射する(図27A〜27F参照)。これは、上述した回折の次数mが正であるか負であるかに対応している。例えば、mが正の光は、透明基板140の中央にたてた法線に向かう方向に進行し、mが負の光は、透明基板140の中央にたてた法線から離れる方向に進行する。回折の次数が正の光または負の光のいずれかを選択的にフォトルミネッセンス層から出射させることにより、図49に例示するような構成によっても、光を収束させる効果を得ることが可能である。例えば、凸部の各々の断面形状を台形状、三角形状などにすることにより、回折の次数が正の光または負の光のいずれかを選択的に出射させ得る。 As schematically shown in FIG. 48, the light with the wavelength λ c is emitted in two directions symmetrically with respect to the normal direction of the top surface 120t (see FIGS. 27A to 27F). This corresponds to whether the above-described diffraction order m is positive or negative. For example, when m is positive, the light travels in a direction toward the normal line in the center of the transparent substrate 140, and when m is negative, the light travels in a direction away from the normal line at the center of the transparent substrate 140. To do. By selectively emitting either positive light or negative light of the diffraction order from the photoluminescence layer, it is possible to obtain the effect of converging light even with the configuration illustrated in FIG. . For example, by making the cross-sectional shape of each of the convex portions into a trapezoidal shape, a triangular shape, or the like, it is possible to selectively emit either positive light or negative light having a diffraction order.

さらに、図47からわかるように、特定の波長の光を選択的に発光するようなフォトルミネッセンス材料を用いてフォトルミネッセンス層110eを形成すれば、その特定の波長に関して、より高い指向性を実現し得る。なお、カラーフィルタを用いて特定の波長以外の波長の光をカットしてもよいが、適切なフォトルミネッセンス材料を用いて波長に制限をかける方が、ロスが小さいので有益である。   Furthermore, as can be seen from FIG. 47, if the photoluminescence layer 110e is formed using a photoluminescence material that selectively emits light of a specific wavelength, higher directivity can be realized with respect to the specific wavelength. obtain. Although light having a wavelength other than a specific wavelength may be cut using a color filter, it is beneficial to limit the wavelength using an appropriate photoluminescent material because the loss is small.

厚さが端部から中央部に向かって減少または増大するフォトルミネッセンス層は、例えば、スパッタを用いて作製する場合、ターゲットの中心と透明基板140の回転中心との相対位置を調整する事により、フォトルミネッセンス材料の厚さの分布を変えることができる。なお、図45、図46および図49に示す例では、フォトルミネッセンス層の上面は、曲面である。しかしながら、これはあくまでも例示である。フォトルミネッセンス層は、その厚さが端部から中央部に向かって直線的に減少または増大するような形状を有していてもよい。   For example, when the photoluminescence layer whose thickness decreases or increases from the end toward the center is manufactured by sputtering, by adjusting the relative position between the center of the target and the rotation center of the transparent substrate 140, The thickness distribution of the photoluminescent material can be varied. In the examples shown in FIGS. 45, 46, and 49, the upper surface of the photoluminescence layer is a curved surface. However, this is merely an example. The photoluminescence layer may have a shape such that the thickness thereof linearly decreases or increases from the end toward the center.

言うまでもないが、フォトルミネッセンス層が概ね平板状のタイプの発光素子について述べた種々の改変は、面内の位置によって厚さが異なるフォトルミネッセンス層を有するタイプの発光素子にも適用可能である。   Needless to say, the various modifications described for the light-emitting element having a generally flat plate-like photoluminescence layer can also be applied to a light-emitting element having a photoluminescence layer having a different thickness depending on the position in the plane.

図50は、発光素子のさらに他の変形例を示す。図50に示す発光素子100iは、一方の端部から他方の端部に向かって厚さが減少または増加するフォトルミネッセンス層110iを有する。図示される例では、フォトルミネッセンス層110iが、透明基板140によって支持されている。この例においても、透明基板140に対向する、フォトルミネッセンス層110iの下面は平坦面である。フォトルミネッセンス層110iの上面には、周期構造120iが形成されている。上述の発光素子100gおよび100hと同様に、透明基板140が省略された構成ももちろん可能である。   FIG. 50 shows still another modification of the light emitting element. A light-emitting element 100i illustrated in FIG. 50 includes a photoluminescence layer 110i whose thickness decreases or increases from one end to the other end. In the illustrated example, the photoluminescence layer 110 i is supported by the transparent substrate 140. Also in this example, the lower surface of the photoluminescence layer 110i facing the transparent substrate 140 is a flat surface. A periodic structure 120i is formed on the upper surface of the photoluminescence layer 110i. Of course, a configuration in which the transparent substrate 140 is omitted is also possible as in the light-emitting elements 100g and 100h described above.

このような構成によっても、特定の波長の光線を集める効果が得られる。すなわち、特定の波長の光線を特定の方向に向けて出射させ得る。   Even with such a configuration, an effect of collecting light beams having a specific wavelength can be obtained. That is, a light beam having a specific wavelength can be emitted in a specific direction.

この例では、フォトルミネッセンス層110iの厚さは、一方の端部から他方の端部に向かって直線状に変化している。しかしながら、あくまでもこれは例示である。フォトルミネッセンス層110iの上面は、平面状であってもよいし、曲面状であってもよい。発光素子100iは、例えば、上述の発光素子100gまたは100hを複数の部分に分割することによって製造することが可能である。   In this example, the thickness of the photoluminescence layer 110i changes linearly from one end to the other end. However, this is only an example. The upper surface of the photoluminescence layer 110i may be planar or curved. The light emitting element 100i can be manufactured, for example, by dividing the light emitting element 100g or 100h described above into a plurality of portions.

本開示の発光素子は、照明器具、ディスプレイ、プロジェクターをはじめ、種々の光学デバイスに適用され得る。   The light-emitting element of the present disclosure can be applied to various optical devices such as a lighting fixture, a display, and a projector.

100、100a、100d〜100i 発光素子
110、110a、110d、110e、110h、110i フォトルミネッセンス層(導波層)
120、120’、120a〜120i 透光層(周期構造、サブミクロン構造)
140、140e 透明基板
150 保護層
180 光源
200 発光装置
100, 100a, 100d to 100i Light-emitting element 110, 110a, 110d, 110e, 110h, 110i Photoluminescence layer (waveguide layer)
120, 120 ′, 120a to 120i Translucent layer (periodic structure, submicron structure)
140, 140e Transparent substrate 150 Protective layer 180 Light source 200 Light emitting device

Claims (12)

励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に近接して配置された透光層と、
前記透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層は、湾曲している、発光素子。
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer disposed proximate to the photoluminescence layer;
A surface structure formed on the surface of the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The surface structure limits the directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The photoluminescence layer and the light-transmitting layer are curved light-emitting elements.
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層よりも高い屈折率を有する透光層と、
前記透光層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層は、湾曲している、発光素子。
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A translucent layer having a higher refractive index than the photoluminescent layer;
A surface structure formed on the surface of the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The surface structure limits the directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The photoluminescence layer and the light-transmitting layer are curved light-emitting elements.
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
前記フォトルミネッセンス層は、湾曲している、発光素子。
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescence layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The surface structure limits the directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The photoluminescence layer is a light emitting element that is curved.
励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層に接している透光層と、
前記フォトルミネッセンス層と前記透光層との界面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
前記フォトルミネッセンス層および前記透光層は、湾曲している、発光素子。
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A light-transmitting layer in contact with the photoluminescence layer;
A surface structure formed at an interface between the photoluminescence layer and the translucent layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions,
The surface structure limits the directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The photoluminescence layer and the light-transmitting layer are curved light-emitting elements.
前記フォトルミネッセンス層を支持する基板をさらに有する、請求項1から4のいずれかに記載の発光素子。   The light emitting element according to claim 1, further comprising a substrate that supports the photoluminescence layer. 前記フォトルミネッセンス層および前記基板は、湾曲している、請求項5に記載の発光素子。   The light emitting device according to claim 5, wherein the photoluminescence layer and the substrate are curved. 励起光を受けて空気中の波長がλaの光を発するフォトルミネッセンス層と、
前記フォトルミネッセンス層の表面に形成され、複数の凸部および複数の凹部の少なくとも一方を含む表面構造と、を有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を制限し、
前記フォトルミネッセンス層の厚さは、前記フォトルミネッセンス層の端部から中央部に向かって減少または増加する、発光素子。
A photoluminescence layer that emits light having a wavelength λ a in the air in response to excitation light;
A surface structure formed on the surface of the photoluminescence layer and including at least one of a plurality of convex portions and a plurality of concave portions, and
The surface structure limits the directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted by the photoluminescence layer,
The thickness of the said photo-luminescence layer is a light emitting element which decreases or increases toward the center part from the edge part of the said photo-luminescence layer.
前記フォトルミネッセンス層の厚さは、前記フォトルミネッセンス層における一方の端部から他方の端部に向かって減少または増加する、請求項7に記載の発光素子。   The light-emitting element according to claim 7, wherein the thickness of the photoluminescence layer decreases or increases from one end to the other end of the photoluminescence layer. 前記フォトルミネッセンス層を支持する基板をさらに有し、
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層において前記基板に対向する面の反対側に形成されている、請求項7または8に記載の発光素子。
A substrate supporting the photoluminescence layer;
The light emitting device according to claim 7 or 8, wherein the surface structure is formed on a side opposite to a surface facing the substrate in the photoluminescence layer.
前記表面構造は、前記フォトルミネッセンス層が発する空気中の波長がλaの前記光の指向角を、15°未満に制限する、請求項1から9のいずれかに記載の発光素子。 10. The light emitting device according to claim 1, wherein the surface structure limits a directivity angle of the light having a wavelength λ a in the air emitted from the photoluminescence layer to less than 15 °. 前記表面構造における隣接する凸部間または凹部間の距離をDintとし、空気中の波長がλaの前記光に対する前記フォトルミネッセンス層の屈折率をnwav-aとすると、λa/nwav-a<Dint<λaの関係が成り立つ、請求項1から10のいずれかに記載の発光素子。 If the distance between adjacent convex portions or concave portions in the surface structure is D int and the refractive index of the photoluminescence layer for the light having a wavelength in air of λ a is n wav-a , λ a / n wav The light emitting device according to claim 1, wherein a relationship of −a <D inta is established. 前記表面構造は、少なくとも1つの周期構造を有し、
前記少なくとも1つの周期構造の周期をpaとすると、λa/nwav-a<pa<λaの関係が成り立つ、請求項1から11のいずれかに記載の発光素子。
The surface structure has at least one periodic structure;
Wherein the period of at least one periodic structure and p a, λ a / n wav -a <p a <λ relationship a holds, the light-emitting device according to any one of claims 1 to 11.
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